Découvrez le Schéma Ultime de l'Élément Embryonnaire et Son Développement Fascinant

Introduction

Le développement embryonnaire est un processus complexe et fascinant qui transforme une seule cellule fécondée en un organisme multicellulaire complexe. Ce processus implique une série d'événements coordonnés, notamment la division cellulaire, la différenciation cellulaire et la morphogenèse. Cet article vise à fournir un aperçu complet du schéma de l'élément embryonnaire, en mettant l'accent sur les mécanismes moléculaires et cellulaires qui sous-tendent ce processus.

Développement précoce de l'embryon

Fécondation et clivage

Dans l'espèce humaine, l'œuf fécondé migre à travers la trompe et ne s'implante que vers le huitième jour dans la muqueuse utérine (nidation). Pendant ces sept jours d'autonomie, des divisions cellulaires successives ont partagé la masse ovulaire en une centaine de cellules, sans augmentation du volume global. Du fait de la duplication chromosomique qui précède chaque division, toutes les cellules ont reçu un stock chromosomique identique à celui de la cellule œuf initiale : chacune d'elles contient ainsi la totalité de l'information génétique. La manière dont celle-ci va s'exprimer, dans les jours qui suivent, sera dissemblable suivant les groupes cellulaires, qui vont ainsi s'engager dans un processus de différenciation. Leur ségrégation successive, en fonction de leur destinée désormais bien définie, aboutira à la mise en place des ébauches des organes. La première spécialisation a eu lieu dès la troisième division.

Nidation et gastrulation

L'implantation dans la muqueuse utérine (nidation) est accompagnée d'un développement extrêmement rapide du trophoblaste qui dissout les tissus maternels, en absorbe la substance, et en transmet les éléments nutritifs au bouton embryonnaire. En une semaine, la masse du trophoblaste est multipliée par 20 000, tandis que celle du bouton embryonnaire s'accroît quatre fois seulement. En revanche, une intense activité d'organisation répartit les cellules du « bouton » en deux vésicules, accolées par leurs bases en forme de disque.

Aux environs du treizième-quatorzième jour, un troisième disque, issu de la prolifération des cellules superficielles, se glisse entre les deux autres : cette mise en place « oriente » l'embryon, dont l'extrémité caudale est marquée par le point d'origine des cellules du disque intermédiaire. Les tissus qui dérivent de ce « troisième feuillet » formeront, outre les muscles et les os, la plupart des viscères, et tout d'abord le cœur : dès le quatorzième jour, le tube cardiaque, dépourvu de toute connexion vasculaire (il n'y a pas encore de vaisseaux), est animé de battements.

Pendant la troisième semaine de vie, la croissance de l'embryon est considérable. Il prend du relief sur le disque primitif, la segmentation vertébrale apparaît, les principaux organes s'ébauchent. La circulation s'établit dès le vingt et unième jour, ce qui améliore les conditions de transport des éléments nutritifs à partir des villosités placentaires qui se sont organisées au sein du trophoblaste.

Organogenèse

L'organogenèse débute dans les trois semaines suivantes. On ne saurait trop insister sur l'importance des événements qui se déroulent entre le quatorzième et le quarante-deuxième jour : en quatre semaines, le poids de l'embryon passe de 1 millième de milligramme à 150 milligrammes (× 150 000) et tous les principaux systèmes deviennent fonctionnels. Dès lors et jusqu'à terme (et au-delà du terme), la vitesse de croissance se ralentit tandis que chacun des appareils se prépare aux bouleversements qui se produiront lors de la naissance. Le placenta se comporte comme une membrane passivement perméable.

Développement des membres

Induction du bourgeon de membre.

Les bourgeons de membre chiridien se développent à partir d’expansions latérales du corps. Ils apparaissent entre la 4ème et la 5ème semaine de développement chez l’embryon humain. Des expériences classiques ont montré que la mise en place d’une barrière imperméable entre les somites et les lames latérales à un moment critique abolit la spécification des cellules des lames latérales en cellules du bourgeon de membre. Le signal inducteur en provenance des somites a été identifié comme étant l’acide rétinoïque (RA). Le bourgeon de membre antérieur se forme justement dans une zone où l’acide rétinoïque a une activité importante. La mutation de gène codant la rétinaldehyde déshydrogénase-2 (Raldh2), l’enzyme clé de la synthèse de RA, abolit la formation des nageoires pectorales et des bourgeons de membre antérieurs chez le poisson-zèbre et la souris (Begemann et al., 2001, Niederreither et al., 1999).

L’induction du développement du bourgeon de membre est réalisée par l’acide rétinoïque mais aussi par Wnt2b qui est exprimé dans les somites et dans la partie médiale des lames latérales (Ng et al., 2002). L’acide rétinoïque et Wnt2b induisent l’expression de Tbx5 qui active ensuite directement l’expression de FGF10 dans le mésenchyme (Agarwal et al., 2003).

Facteurs de transcription et voies de signalisation

L’acide rétinoïque (RA) en provenance des somites et du mésoderme latéral ainsi que les gènes Hox et la voie de signalisation Wnt/β-caténine permettent d’établir l’expression de Tbx5 dans la région de la somatopleure (lame latérale externe) où va se former le bourgeon de membre antérieur. Tbx5 active l’expression de FGF10 qui induit l’expression de FGF8 dans l’AER et une boucle de régulation positive entre les deux FGF se met en place.

L’expression de Tbx5 dépend de la signalisation WNT/β-caténine et est nécessaire pour activer l’expression de FGF10 lors de l’initiation de la croissance du bourgeon de membre.

Axes de développement des membres

Le plan d’organisation du membre chiridien des tétrapodes se compose de trois segments principaux séparés par des articulations. Selon l’axe proximo-distal, depuis la paroi corporelle jusqu’à la pointe distale, il s’agit du stylopode (bras, cuisse), du zeugopode (avant-bras, mollet) et de l’autopode (main, pied). Le stylopode et le zeugopode contiennent respectivement un et deux éléments squelettiques, tandis que le segment distal ou autopode contient les multiples éléments squelettiques de la main et du pied, carpes/tarses, métacarpes/métatarses et phalanges. Au cours du développement, les bourgeons s’agrandissent et les éléments cartilagineux du futur squelette et les masses musculaires se mettent progressivement en place. On observe que les éléments se mettent en place progressivement, d’abord les structures les plus proximales, puis les structures les plus distales. Chez l’humain, le développement équivalent à celui présenté ici se déroule entre la 4ème et la 6ème semaine après la fécondation. À l’extrémité des membres chiridiens, les doigts sont initialement reliés par une zone interdigitale où les cellules sont finalement éliminées par apoptose.

Axe proximo-distal

L’axe proximo-distal est contrôlé par un épaississement du l’épiderme distal appelé AER (pour Apical Ectodermal Ridge ou crête apicale ectodermique). Cet épithélium épaissi borde la région distale du bourgeon de membre en croissance. Son ablation entraîne un membre tronqué de sa partie distale. L’AER se caractérise par l’expression de plusieurs membres de la famille des facteurs de croissance des fibroblastes (FGF), dont FGF8 est le plus important (Mariani et al., 2008). Son expression est induite par FGF10 qui est exprimé dans le mésenchyme du bourgeon de membre.

La fonction cruciale de l’AER a été révélée pour la première fois par les expériences classiques d’ablation réalisées sur l’embryon de poulet par Saunders et ses collaborateurs. L’ablation de l’AER produit des membres atrophié de leur partie distale où le niveau tronqué est précisément corrélé avec le stade où l’AER a été retiré. Afin de tenir compte des résultats des expériences d’élimination de l’AER et ainsi d’expliquer comment diverses cellules mésodermiques acquièrent leur propre information proximo-distale, Wolpert et ses collègues ont proposé le « modèle de la zone de progression ». Ce modèle postule que les cellules mésodermiques distales, sous-apicales, dans une région appelée la zone de progression (ZP) acquièrent progressivement des valeurs positionnelles plus distales selon le temps passé sous l’influence de l’AER. Cependant, l’épaisseur de la ZP n’a pas été définie avec précision. Le modèle ZP a été réévalué à plusieurs reprises et les mécanismes et modèles par lesquels les cellules progénitrices des membres mésenchymateux acquièrent progressivement des destins plus distaux est encore un sujet de recherche actif.

Des études sur des embryons de poulet soutiennent un « modèle signal-temps » où la spécification du segment de membre proximal dépend de signaux en provenance du tronc de l’embryon, tandis que la spécification des segments distaux dépend de l’activation d’un programme qui commence une fois que les progéniteurs du membre distal sont exempts de signaux proximaux en raison de la croissance du bourgeon. La perte génétique conditionnelle de Meis1/2 dans le membre de la souris entraîne des défauts de structuration proximodistale. L’application d’acide rétinoïque (RA) peut favoriser les destins proximaux (Tamura et al., 1997). Comme l’AER ne se forme qu’après la formation du membre proximal, retardant ainsi la production de FGF distaux jusqu’après l’initiation du bourgeon de membre, cela entraîne une expression précoce de Meis1/2 dans tout le membre.

L’axe proximo-distal du bourgeon de membre est aussi sous le contrôle d’une partie des complexes des gènes Hox (les complexes A et D avec les parties les plus en 5′ du complexe incluant les gènes Hoxa9 à Hoxa13 et Hoxd9 à Hoxd13). La règle de colinéarité que l’on observe pour les complexes Hox et l’axe antéro-postérieur de l’embryon s’applique ici sur l’axe proximo-distal : les gènes les plus en 3′ spécifient les parties les plus proximales (humérus ou fémur) et les gènes les plus en 5′ spécifient les parties les plus distales (les doigts).

Un gradient d’un niveau de Meis1/2 élevé à un niveau faible est nécessaire pour une transition de la spécification d’une position proximale (Hoxa10 et Hoxd10 de l’humérus) vers la spécification d’une position intermédiaire (Hoxa11 et Hoxd11 de l’avant-bras). C’est donc un contrôle dépendant des signaux FGF et acide rétinoïque qui contrôlent l’expression de Meis1/2.

Axe antéro-postérieur

L’axe antéro-postérieur est contrôlé par la ZPA, qui est une région dans la partie postérieure du bourgeon de membre. La greffe d’une ZPA de souris dans la partie antérieure d’un bourgeon de membre de poulet provoque également une duplication en miroir des doigts (dont les cellules seront formées à partir des cellules de poulet et non de souris, ce qui démontre une fois de plus l’induction). Il s’est écoulé 25 ans entre la découverte de l’activité ZPA par Saunders et Gasseling en 1968 et la preuve formelle que c’est Shh qui est le morphogène impliqué produit par la ZPA (Riddle et al., 1993). Un dosage de Shh dans des portions de bourgeons de membre à l’aide d’un test biologique a montré qu’il y a 5 fois plus de Shh dans les tissus postérieurs d’un bourgeon de membre que dans les tissus antérieurs. Une greffe de billes imprégnées de Shh dans la région antérieure a le même effet que la greffe de ZPA et des mutations perte-de-fonction partielles ou totales de Shh aboutissent à une antériorisation des doigts. Les pertes-de-fonction de Shh aboutissent aussi à une réduction du nombre de doigts ce qui est l’opposé de la multiplication par deux du nombre de doigts en cas d’expression ectopique de Shh dans la région antérieure.

Gènes Hox et développement des membres

Les gènes Hox ont bien entendu leur mot à dire sur le positionnement des bourgeons de membre le long de l’axe AP. Par exemple, les bourgeons de membres antérieurs ne sont induits que dans une région qui exprime Hoxb5 mais pas Hoxc6 et Hoxc8. C’est par modification de l’expression de ces deux derniers gènes que les serpents ont perdu leur capacité à former des membres antérieurs.

Lorsqu’on réalise l’invalidation des gènes Hox du groupe de paralogie 10 chez la souris, le stylopode est très réduit. C’est le zeugopode qui est réduit après invalidation des gènes Hox du groupe de paralogie 11. Les doigts à l’extrémité de l’autopode ne se développent pas après invalidation des gènes Hox du groupe de paralogie 13.

D’un côté du groupe de gènes Hox, une série d’enhancers (dans le domaine chromatinien appelé T-DOM) contrôlent l’expression proximale de Hoxd9 à Hoxd11 et de l’autre côté, une série d’enhancers (dans le domaine chromatinien appelé C-DOM) contrôlent l’expression distale de Hoxd12 à Hoxd13 (Montavon et al., 2011 ; Andrey et al., 2013).

Développement de l'appareil génital

L’appareil génital se met en place lors du développement embryonnaire. Ce phénomène est sous le contrôle de plusieurs gènes et hormones, en relation avec les chromosomes sexuels présents. Le début de ce développement est commun aux deux sexes.

Détermination du sexe

Les cellules du corps humain contiennent, dans leur noyau, 23 paires de chromosomes, portant les gènes. Ce bagage génétique provient de la mère (23 chromosomes) et du père (23 chromosomes). La 23e paire est différente selon le sexe : les femmes héritent d’un chromosome X de chaque parent ; tandis que les hommes héritent d’un chromosome Y provenant de leur père et d’un chromosome X venant de leur mère.

Le sexe phénotypique de l’individu ne semble pas lié au nombre de X mais plutôt à la présence ou l’absence du Y. Le chromosome Y a un rôle fondamental dans la détermination du sexe dans l’espèce humaine. On explique ce phénomène par des évènements de mutation ou de translocation. Les inversions sexuelles proviendraient donc, en fait, d’une translocation d’un facteur au niveau de la région PAR 1, lors de la méiose, par crossing-over entre les chromosomes X et Y.

Par la suite, il a été possible de démontrer que le TDF était en réalité un seul gène, appelé SRY (Sex-determining Region of Y chromosome). Ce gène s’exprime lors du développement sexuel des gonades chez l’homme. Dans les cas de translocation, il serait donc absent sur le chromosome Y et présent sur le chromosome X. La détermination du sexe gonadique dépend donc de la présence du gène SRY. Chez les individus de sexe masculin, la protéine issue de l’expression du gène SRY agirait en déclenchant une cascade d’autres gènes.

Développement des gonades

Bien que le sexe de l’embryon soit déterminé par la présence des chromosomes X et Y dès la fécondation, la gonade embryonnaire des Mammifères présente d’abord un stade indifférencié durant lequel elle ne possède aucun caractère mâle ni femelle. Au début de l’organogenèse, on observe la formation d’une crête génitale qui est ensuite colonisée par les cellules germinales. L’ébauche de la gonade peut, au cours de son développement, se développer soit en ovaire soit en testicule, selon ses déterminants génétiques.

On observe, dans chacune des crêtes génitales des fœtus XY, la formation de deux types de cordons : les cordons testiculaires contenant les cellules germinales qui produiront les futurs spermatozoïdes ; et les cordons du rete testis, à l’extrémité des cordons testiculaires. Chez les fœtus femelles XX, les cordons sexuels primitifs dégénèrent. L’épithélium de surface des crêtes génitales produit de nouveaux cordons qui ne pénètrent pas dans le tissu conjonctif mais restent en contact avec la surface corticale de la crête. Ces nouveaux cordons forment des amas cellulaires composés, chacun, de cellules d’origine somatiques (future granulosa) entourant une cellule germinale (futurs ovocytes). Les cellules des thèques (cellules périphériques et protectrices) se différencient ensuite autour de chaque ensemble (granulosa + cellule germinale), pour former les follicules. Ces follicules secrètent des hormones stéroïdes.

Développement des canaux génitaux

Les gonades en développement secrètent un certain nombre d’hormones. Ces hormones permettent le développement de l’ensemble de l’appareil génital vers un phénotype mâle. Les canaux de Wolff constituent le spermiducte chez le mâle des Vertébrés. Ils sont en relation avec le mésonéphros mis en place au cours de la quatrième semaine du développement. L’extension du canal de Wolff jusqu’à l’urètre se fait pendant la cinquième semaine. Les canaux de Müller se développent en parallèle aux canaux de Wolff par une invagination de l’épithélium au niveau du pronéphros (région antérieure du mésonéphros) au cours de la sixième semaine. Chez les femelles ils deviennent les oviductes et débouchent dans l’utérus.

L’étude de cas d’inversions sexuelles a permis de mettre en évidence le rôle fondamental du gène SRY dans le déterminisme sexuel. L’expression du gène SRY est brève et ce gène s’exprime spécifiquement dans les cellules somatiques de crêtes génitales mâles. La séquence de fixation à l’ADN de SRY a été identifiée dans la région promotrice du gène SOX9, présent sur un autosome et responsable de la différenciation des cellules de Sertoli.

En l’absence de SRY, les cellules de soutien se différencient en cellules folliculeuses, entourant les cellules germinales. Au contraire de ce qui se passe chez l’homme, l’entrée en méiose de ces cellules germinales n’est pas inhibée : elles deviennent des ovogonies. Cette différenciation ovarienne est permise par le gène DAX1 (dont l’expression persiste, au contraire des testicules) et le déterminant génique sexuel Wnt4a. L’absence de testostérone induit la disparition du canal de Wolff. Le canal de Müller se maintient et se différencie en un utérus (sous l’action, chez certaines espèces de Mammifères, des œstrogènes des ovaires fœtaux).

Embryogenèse chez Arabidopsis thaliana et Capsella bursa-pastoris

Chez Arabidopsis thaliana et chez Capsella bursa-pastoris, plantes communes appartenant à la famille des Brassicacées, la structure de l'ovule est nettement polarisée. On peut y définir un axe de symétrie bilatérale passant par le micropyle (M) à un pôle, et par la chalaze (C) à l'autre pôle. Le gynécée de chaque fleur renferme généralement plusieurs de ces ovules qui, par le jeu de la pollénisation, seront fécondés ou non.

L'embryogenèse débute au moment où le zygote principal entre en division par des mitoses successives. La première mitose clive le zygote en deux cellules-filles différentes : A= Apicale; B=Basale. La cellule A du côté chalazial est plus petite, la cellule B du côté micropylaire le long de l'axe de symétrie ovulaire est plus volumineuse. Avant qu'une nouvelle division n'intervienne, la surface de A directement au contact du nucelle se subérifie devenant ainsi imperméable. Un sens bien précis de transfert des substances nutritives s'établit alors entre nucelle, cellule A et cellule B. Aucun élément ne pourra pénétrer en A sans passer nécessairement par B, qui exerce ainsi un rôle de filtre pour les substances nutritives destinées à l'embryon.

La seconde mitose divise A et B en même temps, produisant 4 cellules-filles. Ces deux nouveaux plans de division étant anticlines l'un à l'autre, les nouvelles cellules se disposent disymétriquement. Les 4 cellules-filles provenant de B forment un filament cellulaire, les divisions y étant toutes périclines. L'organe ainsi constitué est le suspenseur. En A, par contre, les divisions anticlines disposent les 4 cellules-filles côte à côte. Il s'agit de l'embryon proprement dit, appelé pro-embryon, à ce stade précoce de son développement. Un peu plus tard, le suspenseur deviendra un filament d'une dizaine de cellules. Il sera chargé de nourrir l'embryon en lui transférant les substances nutritives qu'il puise dans le nucelle.

Le pro-embryon se présentera sous la forme d'une petite sphérule depuis 16 cellules. Durant les premiers jours, il peut arriver aux cellules de l’embryon de se fragmenter.

Fragmentation cellulaire dans l'embryon

Durant nos tous premiers jours, il arrive aux cellules de l’embryon humain de se fragmenter. Ce phénomène est courant et affecte la survie de l’embryon, en particulier dans le contexte de procréation médicalement assistée. La fragmentation des cellules est causée, dans un modèle souris, par des contractions à la surface de l’embryon et se produisent lorsque des signaux persistent anormalement depuis la formation de l’ovocyte maternel.

Durant la division cellulaire, si les chromosomes ne sont pas bien attachés au fuseau mitotique, ils peuvent se rapprocher anormalement de la surface. Cette séquence d’évènements rappelle un autre processus biologique : la formation du globule polaire lors de la formation de l’ovocyte. En observant au microscope la présence de ces réactions biochimiques « méiotiques » dans l’embryon, les scientifiques ont observé qu’elles sont bien présentes lors des évènements de fragmentation de l’embryon. Ainsi, des signaux persistants depuis la formation de l’ovocyte sont à l’origine de problèmes rencontrés par l’embryon.

Développement de la face

Pour résumer, l'embryon est d'abord plat, il forme une sorte de disque microscopique fait de plusieurs couches de cellules. Ce disque va s'enrouler sur lui-même, transversalement et d'avant en arrière. Il va donc former une sorte de cylindre. En avant de cette structure, de ce cylindre, se trouve la zone qui donnera l'extrémité céphalique. Elle est centrée par un "trou". Ce trou correspond à ce qui sera la bouche. Le lecteur peut facilement comprendre que ce qu'il y a derrière ce trou, à l'intérieur de l'embryon, formera la cavité buccale et le tube digestif.

En périphérie de la future bouche, des cellules se multiplient activement et vont former des masses appelées bourgeons. Ces bourgeons s'organisent autour de la future cavité buccale. Chacun d'entre eux va participer à la constitution des éléments de la face: os muscles, nerfs, vaisseaux, cartilages etc. Selon cette destinée, chacun va porter un nom. Nous avons donc des bourgeons pairs, c'est-à-dire situés de part et d'autre de l'axe médian de la future face.

Nous avons donc :

Le bourgeon naso-frontal qui va se subdiviser en bourgeons nasal externe et nasal interne et donc participer à la constitution de l'étage supérieur de la face;
Les bourgeons maxillaires qui vont participer à la constitution de l'étage moyen de la face et à la délimitation de l'orifice buccal;
Les bourgeons mandibulaires qui vont participer à la constitution de l'étage inférieur de la face et à la délimitation de l'orifice buccal.

Leur croissance va amener certains d'entre eux à se rencontrer. Ceci entraîne deux phénomènes: leur rencontre délimite des espaces, des orifices qui communiquent avec des espaces, des fentes à l'intérieur de l'embryon; leur rencontre aboutit à la fusion des zones qui entrent en contact.

Illustration de la fusion de deux bourgeons se rencontrant. Les deux bourgeons nasal-internes se réunissent au milieu. Ils formeront la partie médiane du nez; l'espace entre les bourgeons nasal-internes et nasal-externes de chaque côté formera les orifices narinaires; la fusion entre les bourgeons maxillaires, nasal-internes et nasal-externes de chaque côté formera la joue, le maxillaire supérieur et son arcade dentaire, l'aile du nez et la lèvre supérieure; la fusion entre les bourgeons mandibulaires formera la mandibule et son arcade dentaire, la langue, la lèvre inférieure et terminera de délimiter l'orifice buccal.

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Schéma de l'élément embryonnaire : Un aperçu complet du développement embryonnaire