Cellules Germinales Embryonnaires : Tout Comprendre sur Leur Développement et Leurs Implications Vitales

Introduction

Les cellules germinales embryonnaires sont des cellules fondamentales impliquées dans la reproduction et la transmission de l'information génétique d'une génération à l'autre. Cet article explore en détail la définition de ces cellules, leur développement embryonnaire, leur rôle dans la formation des gamètes, ainsi que les implications médicales et éthiques associées à leur manipulation.

Définition et Types de Cellules

Il existe deux principaux types de cellules dans le corps humain : les cellules somatiques et les cellules germinales. Les cellules somatiques regroupent toutes les autres cellules du corps humain qui ne sont pas des cellules reproductrices. Une cellule germinale est une cellule impliquée dans la reproduction (gamètes). Les cellules germinales se développent très tôt dans l’embryon et se déplacent normalement vers les ovaires ou les testicules pour se développer en ovocytes chez les femmes ou en spermatozoïdes chez les hommes.

A la fin du XIXème siècle, Auguste Weissmann proposa sa théorie du plasma germinatif où il distingue les cellules germinales, qui assurent la pérennité de l’espèce à travers la continuité de la descendance des individus, des cellules somatiques, responsables de la construction d’un individu mais par définition « mortelles ». Les cellules germinales gardent aussi leur totipotence, contrairement aux cellules somatiques qui la perdent au cours de leur différenciation.

Développement Embryonnaire des Cellules Germinales

Spécification Précoce

Dans de nombreux organismes, la lignée germinale est parmi les premiers types de cellules à être mis de côté. Une lignée germinale séparée tôt du reste des cellules empêche la transmission de mutations somatiques aux générations futures, ce qui peut être un avantage. Les cellules germinales précoces, appelées cellules germinales primordiales (PGC), sont spécifiées par des facteurs maternels ou par des signaux inductifs (Lawson et al., 1999). Une fois spécifiées, les PGC ignorent les programmes de différenciation somatique et migrent vers le site dans lequel se forme la gonade.

Chez le nématode, la lignée germinale est mise en place à la fin de la quatrième division de clivage. Toutes les cellules germinales sont dérivées du blastomère P1. L’ovocyte contient des granules P dans son cytoplasme qui au cours de divisions asymétriques successives finissent dans les cellules P. Un composant de granule P, le produit du gène pgl est nécessaire pour le développement des cellules germinales, et régule certains aspects du métabolisme des ARNm. Le facteur de transcription à doigts de zinc PIE-1, produit par la mère, est impliqué dans le maintien des propriétés de cellules germinales dans les blastomères dérivés de P. En effet, chez les mutants pie-1, la lignée germinale se différencie en cellules intestinales surnuméraires (Mello et al., 1992). Alors que la transcription est activée dans les cellules somatiques au stade 3-4 cellules, PIE-1 réprime la nouvelle transcription des gènes zygotiques dans les blastomères dérivés de P jusqu’à ce qu’il disparaisse aux alentours du stade 100 cellules.

Rôle des Granules Germinaux

Une caractéristique commune des cellules germinales est la présence de granules germinaux. Il s’agit de compartiments cytoplasmiques sans membrane qui se forment par séparation en phase liquide-liquide (LLPS) à partir du cytoplasme (Brangwynne et al., 2009). Riches à la fois en ARN et en protéines de liaison à l’ARN, les granules germinaux contiennent un grand nombre de molécules ayant des rôles dans la régulation post-transcriptionnelle de l’ARN et la préservation de l’intégrité du génome.

Régulation de la Chromatatine

La spécification des PGC nécessite l’activité de régulateurs de la chromatine qui induisent des changements à l’échelle du génome dans l’expression des gènes. Chez C. L’activation dépendante de MES-4 des gènes de la lignée germinale est antagonisée dans les lignées somatiques par un groupe de régulateurs transcriptionnels (Curran et al., 2009 ; Petrella et al., 2011 ; Unhavaithaya et al., 2002). Parmi ceux-ci, DRM et LIN-15B répriment les gènes de détermination de la lignée germinale dans les cellules somatiques (Petrella et al., 2011). La perte de facteurs DRM ou LIN-15B provoque une activation ectopique des gènes de la lignée germinale dans les cellules somatiques. L’inactivation de MES-2/-3/-4/-6 supprime l’expression du gène de la lignée germinale ectopique des mutants lin-15B à 26°C. Ces observations suggèrent que les facteurs DRM et LIN-15B antagonisent l’activité du MES dans les lignées somatiques pour empêcher les gènes de la lignée germinale de s’exprimer.

Induction chez les Mammifères

Contrairement à beaucoup d’autres modèles, chez les Mammifères, les PGC ne se forment pas par héritage de matériel cytoplasmique mais par induction. Les souris Bmp4-/- ne forment pas de cellules germinales et l’expression ectopique de BMP4 dans un épiblaste compétent peut induire des cellules germinales ectopiques. On en déduit que le destin des cellules germinales est induit dans l’épiblaste vers le jour embryonnaire E6 par BMP4 produit dans l’ectoderme extra-embryonnaire (Lawson et al., 1999). En réponse au BMP4, les cellules induites en PGC activent l’expression de Oct4 et de Sox2 qui codent des facteurs de transcription impliqués dans la pluripotence et le profil de méthylation de l’ADN de ces cellules change. Blimp1 (Prdm1) et Prdm14 sont des régulateurs transcriptionnels critiques pour le devenir des PGC (Kurimoto et al., 2008, Ohinata et al., 2005, Vincent et al., 2005, Yamaji et al., 2008), de même que AP2γ (codé par Tfap2C) qui agit en coordination avec d’autres facteurs de transcription, tels que PAX5 et SOX17.

Migration des PGC

Les PGC migrent dans l’épithélium endodermique de l’intestin postérieur où 170 à 350 PGC se trouvent au jour 9 du développement fœtal chez la souris, puis le long du mésentère dorsal vers les crêtes génitales situées dans le toit du cœlome qui est le site du développement des gonades (Molyneaux et al., 2001). Durant cette migration, les PGC sont entourées de cellules sécrétant SCF (pour Stem Cell Factor) qui est indispensable pour leur survie et leur migration (Yan et al., 2000). Le récepteur de SCF est une tyrosine-kinase transmembranaire, c-kit.

La signalisation SDF-1/CXCR4 est nécessaire pour la migration ordonnée des cellules germinales primordiales chez le poisson-zèbre. La fonction de guidage des PGC par SDF-1/CXCR4, présente chez les Mammifères est conservée chez les Vertébrés, comme on peut le constater ici chez le poisson-zèbre.

Les PGC migrent dans le mésentère dorsal lors de leur trajet de l’endoderme vers les crêtes génitales (GR) (futures gonades). Les PGC expriment le récepteur de chimiokine CXCR4 et le récepteur tyrosine kinase c-Kit. Les cellules du mésentère dorsal sécrètent les facteurs solubles SDF1 et SCF. Les interactions entre SDF1/CXCR4 et SCF/c-Kit sont nécessaires la migration des PGC le long du mésentère vers les crêtes génitales. L’expression par les PGC de l’intégrine β1 est également nécessaire à leur migration (Anderson et al., 1999). Il ne semble pas y avoir de signaux chémoattracteurs à distance en provenance de la destination des PGC, c’est-à-dire les crêtes génitales, car dans des souris mutantes où les crêtes génitales sont absentes, les PGC migrent quand même dans la bonne direction.

Il y a environ 5 000 PGC dans les embryons de souris de 11 à 12 jours et plus de 20 000 PGC au moment où les crêtes génitales sont complètement colonisées aux jours 13-14. Chez l’humain, les crêtes génitales sont colonisées au cours de la 5ème semaine après la fécondation. Ces PGC sont la seule source de cellules germinales adultes. Ce n’est qu’une fois arrivées dans les crêtes génitales que les PGC activent l’expression de Dazl (une protéine se liant aux ARN) et qu’ainsi leur devenir est totalement restreint à la production de gamètes (des études récentes ont montré que les PGC en migration gardent des potentialités différentes (Nicholls et al., 2019).

Reprogrammation Épigénétique

Durant le début de leur développement, les PGC subissent une reprogrammation épigénétique importante qui permet, entre autres, d’effacer des marques épigénétiques d’origine parentale ou provenant du début du développement embryonnaire. Les premières étapes de cette reprogrammation se produisent pendant la migration, et sont caractérisées par une perte de diméthylation de l’histone H3 lysine 9 (H3K9me2) à l’échelle du génome et par une augmentation de la triméthylation de l’histone H3 lysine 27 (H3K27me3) (Seki et al., 2005, Hajkova et al., 2008). De plus, une élimination globale de la méthylation de l’ADN, notamment dans les séquences impliquées dans l’empreinte parentale est observée et la méthylation de l’ADN atteint son minimum dans les gonades à environ E13,5 (Hajkova et al., 2002; Guibert et al., 2012).

Différenciation Sexuelle

L’origine et la migration des PGC vers les crêtes génitales sont les mêmes chez les mâles et les femelles. Ces cellules sont bipotentielles, c’est-à-dire qu’elles peuvent donner des ovocytes ou des spermatozoïdes. La différenciation sexuelle des gonades, en testicules ou en ovaires, se produit dans l’embryon de 12 à 13 jours.

L’embryon femelle de souris de 13 jours possède un ovaire différencié avec toutes les PGC converties en ovogonies en division active. Le développement des ovaires est sous le contrôle d’une isoforme de la protéine WT1. Les deux principales isoformes de WT1 résultent de deux sites d’épissage alternatifs à l’extrémité de l’exon 9. Ces isoformes ne diffèrent que par la présence ou l’absence des trois acides aminés KTS (K pour lysine, T pour thréonine et S pour sérine). L’isoforme dépourvue de KTS, appelée -KTS, qui est un facteur de transcription est indispensable pour initier le développement des ovaires (Gregoire et al., 2023). Dès le 12ème jour de l’embryogenèse, quelques ovogonies entrent dans la première prophase méiotique. Au jour 14, à peu près la moitié des cellules germinales sont entrées en méiose. Au jour 15, l’ovaire ne contient que des ovocytes à divers stades de la prophase I de méiose (cela correspond à la 9ème semaine du développement chez l’Homme).

Tumeurs Germinales

Parfois, les cellules germinales peuvent se déplacer vers des endroits autres que l’ovaire ou le testicule et former des tumeurs, appelées tumeurs germinales (TG). Les tumeurs germinales peuvent être bénignes (non cancéreuses), il s’agit de la majorité des cas, ou malignes (cancéreuses). Dans la grande majorité des cas, la cause de ces tumeurs est inconnue.

Localisation et Symptômes

Dans 2/3 des cas, les tumeurs germinales sont localisées dans les gonades (c’est-à-dire l’ovaire ou le testicule). Les symptômes dépendent de la localisation de la tumeur. Dans le cas d’une localisation testiculaire, on note une augmentation du volume du testicule. Ces tumeurs sont souvent diagnostiquées plus tardivement chez l’adolescent qui peut notamment tarder à en parler par pudeur. Elles sont donc plus volumineuses et plus étendues.

Lorsque la tumeur est située dans les ovaires, il existe souvent une douleur abdominale et/ou une augmentation de volume de l’abdomen. Les tumeurs ovariennes surviennent essentiellement chez les adolescentes et les jeunes femmes. Les autres symptômes notoires sont :

Gêne respiratoire lorsque la tumeur est située dans le médiastin (région placée dans le thorax entre les deux poumons)
Voussure au niveau de la fesse (bombement)
Troubles urinaires ou constipation lorsque la tumeur est située dans la région du coccyx
Maux de tête (céphalées), vomissements, troubles visuels lorsque la tumeur est située dans le cerveau

Diagnostic

Le diagnostic débute habituellement par une visite à ton médecin. Si nécessaire, ce dernier te dirigera vers un spécialiste. Le diagnostic d’une tumeur germinale repose principalement sur les examens d’imagerie qui sont réalisés en fonction des symptômes présentés (scanner ou IRM). Le bilan d’extension vise à rechercher des métastases dans le corps.

Certaines tumeurs germinales sécrètent dans le sang ou dans le liquide céphalorachidien des substances que l’on appelle marqueurs tumoraux. Il s’agit de l’alpha-foetoproteine, (AFP) de l’hormone choriogonadotrophique totale (hCG) et de sa sous-unité β libre. Ces marqueurs tumoraux aident au diagnostic initial et leur diminution au cours du temps permet de confirmer l’efficacité du traitement.

Traitements

Le traitement de la tumeur germinale dépend de plusieurs facteurs, notamment l'âge, le type et la localisation de la tumeur et le stade de la maladie. Les principaux traitements des tumeurs germinales sont la chirurgie et la chimiothérapie. Dans certains cas (tumeur localisée, peu volumineuse,…), une intervention chirurgicale suivie d’une surveillance étroite peut suffire. Dans les autres cas, une chimiothérapie sera réalisée pour permettre une chirurgie secondaire. La radiothérapie peut également être utilisée lorsque la tumeur est située dans le cerveau ou en cas de maladie récidivante ou progressive.

Après le traitement, une surveillance sera réalisée pendant plusieurs années comportant des examens cliniques et d’imagerie pour s’assurer de l’absence de récidive.

Infertilité et Cellules Germinales

La définition clinique de l’infertilité est définie comme l’incapacité des couples à concevoir un enfant après 18 mois de rapports sexuels réguliers non protégés. Selon les statistiques de l’Organisation Mondiale de la Santé, l’infertilité affecte environ 12 à 15 % des couples dans le monde (American Society for Reproductive Medicine, 2015). Les facteurs masculins sont responsables de 50 % des cas d’infertilité, parmi lesquels 20 % à 30 % sont dus uniquement à des facteurs masculins et 20 à 30 % sont dus à des facteurs affectant les deux partenaires (Tournaye et al., 2017). La prévalence de l’infertilité masculine a augmenté de 0,291 % par an de 1990 à 2017 dans le monde, et pourrait approcher la limite de 50 %.

Manipulation Génétique et Cellules Germinales

CRISPR-Cas9: Une Révolution

La technique CRISPR-Cas9 est une technique de génie génétique révolutionnaire qui se répand à très grande vitesse. Elle permet de modifier facilement, rapidement, à faible coût, avec un matériel simple et accessible, l’ADN de toute cellule végétale, animale ou humaine. La modification du génome de toute cellule est rendue possible en coupant de manière ciblée l’ADN pour éteindre, atténuer ou remplacer un gène. Prometteuse, elle laisse entrevoir déjà d’immenses avancées scientifiques et progrès thérapeutiques.

Modifier un ADN devient presque aussi simple qu’un « copier-coller » dans un traitement de texte. La combinaison CRISPR-Cas9 joue le rôle d’une tête chercheuse qui localise le segment d’ADN à modifier, avant de s’y déposer pour le découper.

Cette technique est d’abord très utile dans le domaine de la recherche, pour mieux comprendre le rôle joué par certains gènes. En thérapeutique, les espoirs soulevés par cette technique sont très nombreux pour corriger les maladies génétiques et promet d’immenses progrès de thérapie génique. Par exemple, des travaux ont été publiés récemment sur l’utilisation du CRISPR-Cas9 sur des souris, ciblant les gènes défectueux responsables de la myopathie de Duchenne avec des résultats prometteurs. Egalement, des chercheurs ont pu améliorer la vision de souris atteintes d’une maladie dégénérative héréditaire qui les rendait aveugles. Pour améliorer la compatibilité des organes porcins avec l’être humain, une autre équipe de scientifiques a pu retirer simultanément 62 gènes dans le génome du cochon, levant un certain nombre d’obstacles à la xénotransplantation (transplantion inter-espèces).

Enjeux Éthiques

La technique en elle-même ne pose pas de problème éthique. C’est bien « l’usage » qui en sera fait qui en pose. Cellules somatiques : elles constituent l’immense majorité des cellules constituant un individu. La modification du génome appliquée sur des cellules somatiques ciblées (cellules d’un adulte, consentant) ne soulève pas ou peu de problèmes éthiques. S’il est désormais possible de modifier n’importe quelle cellule, c’est le cas aussi pour l’embryon humain et les cellules germinales.

La technologie peut être utilisé pour dicter quels gènes un embryon devrait ou ne devrait pas avoir. Les modifications génétiques subies par un embryon affecteront également ses cellules germinales, ovocytes pour les femmes, spermatozoïdes pour les hommes, ce qui rend la modification transmissible aux générations suivantes.

La technique appliquée sur l’embryon humain au stade de quelques cellules soulève une autre question cruciale. Il sera impossible de s’assurer que toutes les cellules de l’embryon seront réellement modifiées. Un « effet mosaïque » peut arriver : c’est-à-dire que certaines cellules seraient modifiées, d’autres non, et ceux qui manipuleraient ainsi l’embryon avant son implantation n’en auraient pas connaissance.

Cadre Réglementaire

Procéder à des manipulations génétiques en amont de la fécondation ou sur des cellules reproductrices est interdit : cela fait partie des principes éthiques qui s’appliquent à l’ensemble des chercheurs. Mais chaque pays a son cadre réglementaire, et certains n’en ont pas du tout.

La conférence d’Asilomar a été organisée en 1975 par Paul Berg (futur prix Nobel de chimie en 1980). L’objectif de cette conférence n’était pas simplement d’exposer les avancées dans un domaine de recherche, le génie génétique, bien que cela occupât la partie la plus importante de ce congrès, mais aussi de débattre sur les risques et la sûreté des expériences de ce domaine naissant. Elle appelait à un moratoire sur les manipulations génétiques, afin d’éviter que des bactéries génétiquement modifiées puissent se disperser dans l’environnement.

La France a ratifié en 2011 cette Convention qui est le seul instrument juridique contraignant international pour la protection des Droits de l’homme dans le domaine biomédical. La Convention cadre vise à protéger la dignité et l’identité de tous les êtres humains et à garantir à toute personne, sans discrimination, le respect de son intégrité et de ses autres droits et libertés fondamentales à l’égard des applications de la biologie et de la médecine. Elle reprend les principes développés par la Convention européenne des Droits de l’Homme dans le domaine de la biologie et de la médecine.

Le Comité international de bioéthique de l’Unesco a, le 5 octobre 2015, interpellé la communauté internationale sur question de la dignité, rappelant que le génome humain fait partie du « patrimoine de l’humanité », ce qui souligne « la valeur exceptionnelle de ce qui doit être protégé et transmis aux générations futures ». Le rapport de l’Unesco, soulignant l’importance des progrès scientifiques, rappelle que « nous sommes humains grâce à l’interaction permanente de nombreux déterminants biologiques, historique et culturels, ce qui nous permet de ressentir un sentiment fondamental d’unité et qui nourrit la richesse de notre diversité. Mais dès lors que l’on touche à l’embryon humain, ou aux gamètes humains, les questions éthiques soulevées sont cruciales.

Couches Germinales Embryonnaires

Une couche germinale embryonnaire est un ensemble de cellules formées au cours du développement embryonnaire l'animal à partir de laquelle la proviendra des tissus et des organes de l'adulte. Les couches germinales sont couramment appelées un feuillet embryonnaire. Les trois couches germinales se différencient dans le plan corporel de l'organisme en réponse aux signaux chimiques et aux stimuli reçus.

Les Trois Couches Germinales

Ectoderme (ectoblastes): C'est la couche germinale la plus externe. Elle est à l'origine de la peau et du tissu nerveux, du tube digestif supérieur (stomodeum), de l'épiderme et de ses annexes (cheveux et ongles) et des glandes mammaires.
Mésoderme (mésoblastes): C'est la couche germinale intermédiaire. Il provient de la masse cellulaire interne et se situe entre l'endoderme et l'ectoderme. C'est à l'origine du système squelettique, des muscles, du système circulatoire et du système reproducteur.
Endoderme (endoblastes): c'est la couche germinale la plus interne. Il apparaît toujours lorsqu'une couche de cellules se projette vers l'extérieur à partir de la masse cellulaire interne qui se développe autour de la blastocèle. C'est à l'origine de l'intestin, du foie, du pancréas, des poumons, des reins et de la plupart des organes internes.

La transformation des cellules d'une couche germinale en cellules d'une autre est appelée transdifférenciation.

Origine des Tissus

Feuillet ectoblastique: tissus nerveux et épithéliaux; épiderme, épithéliums du tube digestif initial et final (stomodeum et proctodeum), glandes épidermiques, épithélium respiratoire (sauf poumons de vertébrés), récepteurs sensoriels, système nerveux.
Feuillet endoblastique: tissus du système digestif (non initial et définitif), glandes annexées au tube digestif, épithélium pulmonaire des vertébrés.
Feuillet mésoblastique: structures conjonctives, système circulatoire, système musculaire, squelette interne, organes excréteurs, revêtement de la cavité coelomique, gonades.

L'acceptation de la généralité et de l'importance des couches germinales remonte au 19ème siècle. Christian Pander (1817) a été le premier à les reconnaître dans une étude qu'il a menée sur des embryons de poulet. En 1825, Martin Heinrich Rathke a identifié des feuillets embryonnaires équivalents chez les crustacés. En 1828, Karl Ernst von Baer les découvrit dans les embryons d'autres vertébrés. En 1849, Julian Huxley a montré que les feuillets externes et internes des vertébrés étaient homologues des deux couches des Coelentérés.

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Cellules Germinales Embryonnaires: Définition, Développement et Implications