Introduction
Le développement embryonnaire est un processus complexe et fascinant qui transforme une simple cellule œuf en un organisme multicellulaire complexe. Parmi les modèles d'étude les plus prisés en biologie du développement, la drosophile, ou mouche du vinaigre (Drosophila melanogaster), occupe une place de choix. Son cycle de vie court, la facilité avec laquelle elle peut être élevée en laboratoire, et la possibilité de provoquer des mutations affectant son développement embryonnaire en font un outil précieux pour comprendre les mécanismes fondamentaux du développement animal. Cet article explore les étapes clés du développement embryonnaire de la drosophile, en mettant en lumière le rôle crucial des gènes, des morphogènes et des forces mécaniques dans ce processus.
L'Œuf de Drosophile : Une Cellule Centrolécithe Polarisée
L'œuf de la drosophile est un œuf centrolécithe, ce qui signifie qu'il est très riche en vitellus, une substance nutritive qui prend place au centre de l'œuf. C'est à partir de ces réserves vitellines que le développement embryonnaire des Insectes est permis. En parallèle, le développement de l’embryon nécessite aussi de l’eau ainsi que du dioxygène. Sa protection est assurée par une enveloppe rigide : le chorion. Cette enveloppe n’est pas imperméable. En effet, l’eau peut être absorbée au niveau du pôle hydropyle, le dioxygène diffuse à travers le chorion par des pores, canalicules ou encore d’autres structures spécifiques à certaines espèces. De plus, l’œuf, cellule polarisée, comporte des molécules tels des acides nucléiques (ARN messagers) et des protéines. Ces molécules se déposent de façon localisée. La distribution des molécules au sein de l’œuf est à l’origine de l’établissement d’une polarité antéro-postérieure et d’une polarité dorso-ventrale.
Les Premières Étapes : Segmentation et Formation du Blastoderme
Après la fécondation, le noyau de fécondation situé dans la masse vitelline se divise rapidement. L’embryon comprend 128 énergides, (c’est-à-dire noyau environné d’un domaine cytoplasmique. sans membrane limitante), 72 minutes après la ponte. Après un cycle de divisions supplémentaires (256 énergides), celles-ci gagnent la périphérie de l’œuf où les noyaux continuent à se multiplier, mais plus lentement. Il se forme un blastoderme syncytial. Lorsqu’il y a 512 noyaux, les cellules polaires sont individualisées. Elles sont à l’origine des cellules germinales initiales. Les membranes plasmiques isolant les cellules du blastoderme se forment par invagination de la membrane de l’œuf ; chaque noyau entouré de son domaine cytoplasmique est isolé et, 3 heures plus tard, un blastoderme cellulaire, comprenant environ 6 000 cellules, est formé autour d’une masse centrale de vitellus contenant quelques noyaux vitellins, polyploïdes. Dans le blastoderme syncytial, des différences apparaissent déjà parmi les noyaux quant à la durée de leurs cycles mitotiques et ceux-ci deviennent asynchrones tandis que la transcription d’ARNm augmente. Cette augmentation s’accélère après le 14ème cycle cellulaire.
Au cours de la formation du blastoderme, certaines cellules peuvent englober une faible quantité de vitellus et réaliser par la suite sa digestion intracellulaire. Pendant que la majorité des cellules du blastoderme s’individualisent en périphérie, quelques-unes apparaissent au sein de la masse vitelline. Ces cellules sont qualifiées de vitellophages et peuvent fusionner pour former une syncitium vitellin remarqué sur la surface de l’embryon. Les vitellophages produisent des expansions cytoplasmiques englobant des vésicules lipidiques ainsi que des granules protéiques. Cela induit une fragmentation du vitellus. De cela, une digestion est réalisée permettant la transmission de substances nutritives aux autres cellules embryonnaires.
Gastrulation : Mise en Place des Trois Feuillets Embryonnaires
Les mouvements de la gastrulation ne concernent que le blastoderme ventral dont les cellules sont plus hautes et plus volumineuses. Sur une carte des territoires embryonnaires, à ce stade, on peut délimiter ventralement une bande médiane large d’environ 1000 cellules qui constitue le mésoderme présomptif et, en s’écartant latéralement et en se dirigeant en direction dorsale, deux territoires ectodermiques, l’un à droite et l’autre à gauche, suivis de l’amnios et de la séreuse. Les extrémités antérieure et postérieure du blastoderme sont formées d’endoderme présomptif.
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Les cellules mésodermiques s’invaginent le long d’un sillon ventral qui se referme pour isoler une ébauche aplatie de mésoderme sous l’ectoderme ventral. Une double invagination, à l’avant et à l’arrière du sillon d’invagination du blastoderme ventral, met en place l’endoderme antérieur et l’endoderme postérieur qui se rejoignent et qui englobent le vitellus. Ils fusionnent pour former l’intestin moyen. Ce mouvement entraîne aussi les cellules polaires à l’intérieur de l’embryon.
Les replis séro-amniotiques postérieurs, puis antérieurs et latéraux se développent pour recouvrir l’ébauche embryonnaire qui se trouve ainsi isolée dans une cavité amniotique protégée par un double feuillet. Cette ébauche allongée et épaisse constitue la bandelette germinative dont les parois latérales s’étendent en direction dorsale pour englober le vitellus. La partie postérieure de la bandelette germinative croît et se retrousse en direction dorsale, de telle façon que son extrémité qui correspond à de futures structures abdominales, se trouve repliée au-dessus de la future région céphalique. La chaîne nerveuse se différencie dans le feuillet ectodermique, sous la forme de deux bandes de cellules qui se condenseront pour former une paire de ganglions par segment ; les ganglions de la région céphalique fusionnent ensuite en ganglions cérébroïdes. L’embryon se contracte dans le sens antéro-postérieur, et le repli en position dorsale de la partie abdominale disparaît. La division du corps en segments ou métamères devient visible. Sur une larve de 10 heures, on distingue 6 segments céphaliques, 3 segments thoraciques, 9 segments abdominaux (le nombre primitif de 13 abdominaux a été réduit ou modifié chez la drosophile).
Le Rôle des Gènes dans le Développement Embryonnaire
L’avènement de la génétique moléculaire a conduit à l’identification des gènes impliqués dans la construction de l’embryon de Drosophile. Les gènes en question sont à l’origine des polarités antéro-postérieure et dorso-ventrale, et interviennent également dans la segmentation du corps comme le gène engrailed par exemple. D’autres gènes ont été identifiés à partir de mutations causant des transformations d’une partie du corps en une autre structure localisée sur un autre segment de l’embryon : il s’agit des gènes homéotiques. Ces derniers interviennent dans l’identité, autrement dit dans le devenir de chacun des segments le long de l’axe antéro-postérieur. Ces gènes constituent un complexe aligné sur un même chromosome au sein d’une séquence reproduisant leur expression spatiale selon l’axe antéro-postérieur de l’embryon.
Entre la fin des années 1950 et les années 1970, Klaus Sander, à Fribourg, a réalisé d'étonnantes expériences d'embryologie. Il déplaçait vers l'avant une portion du cytoplasme postérieur d'œufs d'un insecte (une cicadelle), ce qui provoquait la formation d'un abdomen antérieur. Ou il ligaturait de jeunes embryons en leur milieu à différents stades de développement. Il observait alors que les segments de la partie centrale de l'embryon manquaient. En 1975, il fit l'hypothèse que des « déterminants » du développement étaient produits selon un double gradient de concentration par des « centres organisateurs » postérieur et antérieur. Dans les années qui suivirent, ces recherches, reprises notamment à Tübingen chez la drosophile par l'équipe de Christiane Nüsslein-Volhard, ont établi que ces déterminants, dits maternels, car déjà présents dans l'ovocyte, sont des facteurs biochimiques : les morphogènes. En rapprochant ces travaux des résultats de la génétique de la drosophile, on s'est aperçu que les morphogènes sont des protéines dont la concentration varie dans l'embryon selon des gradients, le long de l'axe antéro-postérieur ou le long de l'axe dorso-ventral. Ce sont des facteurs de transcription : en se fixant à l'adn, ils activent, en fonction de leur concentration, l'expression des différents gènes qui gouvernent la mise en place des segments dont dériveront les parties du corps et les organes de la larve. Par exemple, la polarisation dorso-ventrale est amorcée par l'activation asymétrique de la protéine Dorsal (voir l'encadré page ci-contre). Présente dans tout l'embryon, Dorsal n'est pourtant activée, par un signal maternel, que dans les cellules du pôle ventral de l'embryon. En réponse à cette activation, elle est transportée dans le noyau de ces cellules, où elle stimule l'expression de deux gènes spécifiques, twist et snail. Ces derniers déclenchent la fabrication des protéines correspondantes, Twist et Snail, uniquement dans les cellules ventrales. Ils en déterminent ainsi la nature ventrale. Les autres cellules, par défaut, deviendront dorsales.
Forces Mécaniques et Morphogenèse
Depuis le début des années 1990, plusieurs équipes ont découvert que la morphogenèse embryonnaire met en œuvre des contraintes mécaniques, dont on commence à comprendre l'origine moléculaire. Ainsi, lors de la gastrulation, l'invagination du futur mésoderme provient d'un changement de morphologie des cellules de ce feuillet qui, d'une forme cylindrique, prennent une forme plus conique. La surface externe des cellules diminue par rapport à leur surface interne, ce qui produit la courbure nécessaire à l'invagination. En 1991, l'équipe de Daniel Kierhart, alors à Harvard, a montré qu'une molécule, la myosine-ii, est très concentrée sous la membrane apicale des cellules, la partie de la membrane située au « sommet » de la cellule, à l'opposé de la membrane basale (voir la figure 2). La myosine est un « moteur moléculaire » qui entraîne une contraction de la surface là où elle est concentrée. C'est le rôle du contrôle génétique : la localisation de la myosine est sensible aux morphogènes présents dans les cellules du mésoderme, Twist et Snail. Le rôle de Twist est le mieux connu. Cette protéine active indirectement une enzyme capable de provoquer la concentration apicale et la contraction de la myosine. La protéine Snail participe aussi à ce mécanisme. Or l'augmentation de tension des membranes apicales du mésoderme, conséquence de la redistribution de la myosine, suffit à provoquer l'invagination du mésoderme, et l'ensemble des mouvements morphogénétiques in vivo.
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Au cours de la gastrulation, l'autre phénomène morphogénétique est l'extension de la bande germinale. En 2004, Thomas Lecuit et Pierre-François Lenne et leurs collègues de l'Institut de biologie du développement et de l'Institut Fresnel, à Marseille, ont montré qu'elle découle de la réorganisation des contacts des cellules de l'épithélium embryonnaire ventral, au cours d'un processus nommé intercalation cellulaire. La myosine s'accumule, sous contrôle génétique, dans les parois perpendiculaires à l'axe antéropostérieur. Elle provoque alors la contraction de ces surfaces cellulaires, ce qui déplace les cellules selon l'axe dorsoventral. Si bien que, progressivement, les cellules changent de position et s'intercalent les unes entre les autres, induisant donc l'extension de l'axe antéropostérieur du mésoderme.
Mécanotransduction : Quand les Forces Mécaniques Influencent l'Expression des Gènes
Puisque les changements de forme de l'embryon créent en permanence de nouvelles contraintes mécaniques, nous avons fait l'hypothèse que certains gènes du développement embryonnaire sont « mécanosensibles » : leur expression serait modifiée par les pressions et déformations mécaniques subies par les cellules du tissu embryonnaire. En 2003, nous avons confirmé pour la première fois ce scénario. Voyons comment.
En premier lieu, est-il possible de moduler l'expression de gènes en réponse à des contraintes mécaniques appliquées sur des cellules vivantes ? En 1993, des chercheurs de Boston ont étudié in vitro l'expression des gènes dans des cellules endothéliales en culture cellulaire, provenant de la paroi de vaisseaux sanguins. Ces cellules étant normalement soumises à des contraintes mécaniques liées au flux sanguin, ils voulaient savoir si l'expression des gènes en était modifiée. Ils ont effectivement montré que l'expression du gène pdgf-b peut être modulée par une force hydrodynamique subie par les cellules endothéliales. Puis d'autres équipes ont mis en évidence que diverses protéines sont « mécanosensibles » ; par exemple, sous l'effet d'une contrainte appliquée à une cellule, des facteurs de transcription, c'est-à-dire des protéines qui régulent l'expression des gènes, sont transférés du cytoplasme jusque dans le noyau, où ils stimulent l'expression de certains gènes. Or les expériences que nous avons réalisées ont montré que ce type d'interactions existe aussi chez l'embryon de drosophile pour certains gènes « maîtres » du développement (qui contrôlent l'activation d'autres gènes). L'expression de gènes du développement peut être déclenchée par une déformation mécanique du tissu embryonnaire. Une étape de « mécanotransduction » convertit le signal mécanique en un signal biochimique qui active cette expression. En d'autres termes, il est possible de « reprogrammer » mécaniquement la génétique du développement.
Le Déterminisme du Sexe et la Diapause Embryonnaire
Chez les Insectes, le déterminisme du sexe est exclusivement chromosomique. En effet, aucune hormone sexuelle n’intervient dans ce déterminisme. En ce sens, l’apparition du sexe, qu’il soit mâle ou femelle, provient de la seule garniture chromosomique de l’embryon. En détails, ce déterminisme suit plusieurs modalités variables selon les espèces. En fonction de ces dernières, le sexe hétérogamétique, pour des individus ayant deux chromosomes sexuels différents dans le génome, peut correspondre au mâle comme chez les Mammifères ou bien à la femelle comme chez les Oiseaux.
Dans les régions tempérées du globe, au cours de l’hiver, le développement embryonnaire des Insectes est fréquemment interrompu. Cette interruption se traduit par une période de vie ralentie de l’embryon. On parle alors de diapause. Il est important de notifier que cette période de vie ralentie n’est pas directement contrôlée par les conditions environnementales. De plus, la diapause peut concerner la vie embryonnaire, qui nous intéresse ici particulièrement, ou bien la vie larvaire. L’étude de la diapause embryonnaire est bien documentée chez le Bombyx, un Hétérocère ou Papillon de nuit. Chez cet Insecte, la diapause embryonnaire se caractérise par une diminution de l’intensité respiratoire. Celle-ci atteint un niveau comparable à celui de l’ovocyte avant la fécondation. L’arrêt du développement embryonnaire est engendré par un facteur hormonal, produit par le ganglion sous-œsophagien, et constaté au cours de la vie nymphale. Aussi, la détermination des œufs à ou sans diapause est liée aux facteurs externes, comme la température et l’éclairement, connus par la nymphe au début de l’ovogenèse. Il est donc possible d’adapter le type de développement aux conditions externes que connaitra l’œuf au cours de son développement.
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Éclosion et Développement Post-Embryonnaire
Tout au long du développement, l’embryon baigne dans un liquide amniotique. Après la formation d’une cuticule dans les derniers instants du développement, l’embryon aspire ce liquide par le biais de son pharynx. Il occupe ainsi la totalité du volume de l’œuf.
Pour effectuer son éclosion, le chorion, enveloppe protectrice, doit être rompue. Le chorion étant une enveloppe très rigide, parfois les seules contractions des muscles de la future larve ne peuvent être la cause de la rupture. En effet, des dispositifs spéciaux existent : il s’agit généralement de zones de moindre rigidité comme le sillon chez les œufs de Mouches ou le clapet chez les œufs du Phasme. De plus, certains embryons sont munis d’une lame dentée chitineuse sur la tête : le ruptor ovi. Après l’éclosion, cette cuticule embryonnaire est fréquemment laissée, on parle de mue embryonnaire. Par ailleurs, quelques espèces se caractérisent par des embryons dissolvant le chorion suite à l’action d’enzymes libérées dans le liquide amniotique. En somme, la larve juste sortie de son œuf change de milieu de vie, passant d’un milieu aquatique à un milieu aérien. Elle peut ressembler ou non à l’adulte, toutefois, elle subira quelques mues avant d’atteindre la maturité sexuelle.
Le développement post-embryonnaire de la drosophile est caractérisé par trois stades larvaires successifs, suivis d'un stade nymphal (pupe) où se déroule la métamorphose. Les disques imaginaux, des structures précurseurs des organes adultes, se développent pendant la vie larvaire et subissent une transformation radicale lors de la métamorphose pour donner naissance à l'insecte adulte.
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