Découvrez l’Évolution Embryonnaire : Du Miracle Cellulaire à la Vie Complexe

Introduction

La question de notre origine personnelle et de notre développement embryonnaire a toujours fasciné les scientifiques et les philosophes. Les premières réponses à cette question ont émergé au début du 20ème siècle, avec l'essor de l'approche expérimentale de l'embryon, qui allait devenir la biologie du développement, et de la génétique. Ces deux disciplines ont considérablement contribué à notre connaissance actuelle des mécanismes mis en œuvre par un œuf fécondé, une cellule unique, pour donner un embryon fonctionnel avec ses milliards de cellules spécialisées. L'enseignement de Denis Duboule en 2023 a porté sur cette question complexe du développement de l'embryon.

L'Étude du Développement Embryonnaire : Un Aperçu Historique

L'idée que les modifications que subissent les espèces au cours de l'évolution sont causées par des altérations du développement de l'embryon est apparue dès le XIXe siècle. Ernst Haeckel, un grand naturaliste allemand, a proposé la première synthèse de l'embryologie et de l'évolution. Haeckel a noté que des animaux très dissemblables au stade adulte, comme les mammifères et les poissons, peuvent avoir des embryons très comparables aux stades précoces. Il a énoncé l'aphorisme : « l'ontogenèse récapitule la phylogenèse », selon lequel les caractères nouveaux acquis par les organismes adultes au cours de l'évolution sont originellement des additions terminales au processus de leur développement.

Cependant, Haeckel a été accusé d'avoir retouché ses dessins d'embryons pour les rendre plus ressemblants. Malgré cette controverse, ses travaux ont contribué à populariser l'idée que l'étude du développement embryonnaire peut nous éclairer sur l'évolution des espèces.

Les Lois de Von Baer

Avant Haeckel, Karl Ernst von Baer avait déjà dégagé des généralisations sur le développement embryonnaire, connues sous le nom de « lois de von Baer ». Ces lois stipulent que :

Les caractères généraux d’un groupe apparaissent avant les caractères spécialisés.
Tous les vertébrés possèdent des organes embryonnaires transitoires tels que le tube nerveux, les somites, le pronéphros.
La diversité des caractères spécialisés de plusieurs groupes ou espèces proches dérive de caractères généraux communs à ces groupes ou espèces. Par exemple, le plan de l’ébauche du membre chiridien est commun à tous les embryons de vertébrés tétrapodes. Cependant, l’organogenèse peut en faire des organes aussi différents qu’une nageoire de dauphin, une aile de chauve-souris, un membre marcheur, fouisseur ou préhensile.
L’embryon d’une espèce donnée ne ressemble jamais à la forme adulte d’une espèce apparue précédemment dans l’évolution mais plutôt à sa forme embryonnaire. Un embryon de reptile ou de mammifère ne passe jamais par un stade poisson. En revanche, les embryons de reptiles et de mammifères possèdent des caractères en commun avec les embryons de poisson. Par exemple, les arcs viscéraux des reptiles et des mammifères ne ressemblent pas aux arcs branchiaux des poissons mais plutôt aux arcs viscéraux embryonnaires de ces derniers.

Les Gènes Homéotiques : Des Architectes du Développement

La découverte des gènes homéotiques a été révolutionnaire pour la biologie du développement. Ces gènes, étudiés en profondeur par Edward Lewis, sont responsables de l'identité des segments du corps chez les animaux. Les gènes homéotiques sont regroupés en complexes sur les chromosomes et régulent l'identité des segments le long de l'axe antéro-postérieur, suivant un ordre identique à celui dans lequel on les trouve sur le chromosome (propriété de colinéarité).

Les gènes homéotiques codent pour des protéines qui régulent l'expression d'autres gènes, c'est-à-dire que dans les cellules où le gène homéotique s'exprime, une protéine homéotique est produite qui va à son tour réguler positivement ou négativement l'expression de plusieurs autres gènes. Ces gènes sont responsables de l'identité des segments de la drosophile au cours du développement, c'est-à-dire qu'ils vont aiguiller le développement des cellules de ces segments vers une direction spécifique. C'est pourquoi ces gènes ont été désignés sous l'appellation de gènes « sélecteurs» : ils fixent la destinée des cellules embryonnaires dans lesquelles ils sont exprimés, c'est-à-dire dans lesquelles la protéine qu'ils codent est produite.

L'Embryon de Mammifère : Un Modèle d'Étude Complexe

Chez les mammifères, dont nous faisons partie, la question du développement embryonnaire se complique car l’embryon s’implante dans l’utérus et devient donc rapidement inaccessible aux chercheurs, et ceci précisément au moment où certains évènements cruciaux vont se dérouler. C’est en effet pendant cette période post-implantation que l’embryon va s’organiser dans l’espace, acquérir ses axes principaux, sa tête, ses membres, et la bonne position de ses futurs organes. Par conséquent, la plupart des connaissances actuelles sur cette phase critique de notre embryogenèse provient de l’étude de la souris de laboratoire, un système expérimental de choix déjà utilisé au milieu du 19ème siècle par le moine Gregor Mendel, avant qu’il ne se concentre sur les plantes et le croisement des pois.

Aujourd’hui, des systèmes alternatifs ont vu le jour qui ouvrent de nouvelles perspectives. En particulier il est maintenant possible de produire des pseudo-embryons en culture grâce à l’utilisation de cellules souches embryonnaires, ne faisant pas appel à l’obtention de vrais embryons. Ces cellules humaines qui, à l’origine, dérivent soit d’un embryon surnuméraire issu d’une FIV (cellules ES) ou de tout autre type cellulaire obtenu par biopsie et après induction d’une reprogrammation génétique (cellules iPS), sont disponibles et plusieurs protocoles expérimentaux dans lesquels ces cellules souches, avant ou après différenciation, sont agrégées ensemble, permettent de produire des structures biologiques ressemblant parfois à s’y méprendre à des embryons à divers stades du développement précoce. Différents types de mélanges de cellules et de protocoles de culture peuvent alors donner des pseudo-embryons de natures variées, présentant certaines des caractéristiques spécifiques d’embryons authentiques.

Grâce à l’amélioration spectaculaire des systèmes et des conditions de croissance d’embryons en bouteilles, ces pseudo-embryons peuvent être cultivés in vitro permettant le développement embryonnaire ex-utero de continuer jusqu’à des limites jamais atteintes auparavant. D’un point de vue fondamental, cela démontre la capacité extraordinaire de cellules souches embryonnaires collées ensemble à s’autoorganiser dans le temps et dans l’espace pour produire une structure cohérente, de laquelle des tissus embryonnaires fonctionnels vont émerger au bon moment et au bon endroit. Comment et sous quelle forme cette propriété inattendue est-elle codée dans l’ADN de ces cellules ? Comment les cellules se parlent-elles et s’organisent-elles en société ?

La Reproduction Humaine : Un Processus Fragile

La reproduction des humains est un processus peu fiable, beaucoup moins performant que dans d’autres espèces de mammifères. Outre ces connaissances essentielles en recherche fondamentale sur notre origine embryonnaire, ces nouveaux types de pseudo-embryons devraient à l’avenir permettre de comprendre les causes multiples des très nombreuses stérilités constatées chez les humains. En 2021 en effet, 10 pourcent des couples en France étaient en échec de procréation et près de 4 pourcent des 750 000 enfants nés cette année-là le furent grâce à l’une ou l’autre technique de procréation assistée. Dans ce dernier cas, toutefois, cela ne représente que 20% des tentatives effectuées en officine. Ces chiffres montrent bien à quel point la reproduction des humains est un processus peu fiable, beaucoup moins performant que dans d’autres espèces de mammifères. Quelles sont les causes de ces fragilités ? Y a-t-il une raison évolutive pour laquelle cet état de fait aurait pu être sélectionné chez Homo sapiens ?

Les Enjeux Éthiques et Légaux

Ces développements récents bouleversent quelque peu notre regard sur l’embryon humain, le transformant de facto en possible objet d’expérience. Cela oblige à replacer ces approches dans un cadre éthique et légal acceptable, une préoccupation très présente au sein même de la communauté scientifique et des laboratoires impliqués dans ces expériences. Car même si ces pseudo-embryons rappelons-le clairement, ne sont pas d’authentiques embryons humains dans le sens où ils ne sont pas capables de s’implanter et, par conséquent ne pourraient pas se développer à terme, ils n’en restent pas moins des entités biologiques dérivées de cellules humaines, avec parfois des cellules cardiaques fonctionnelles et même des structures ressemblant à des parties de notre cerveau. Une réflexion multidisciplinaire est donc nécessaire afin de fixer les limites à ne pas dépasser, limites qui d’ailleurs sont pour certaines d’entre elles déjà établies par le cadre légal actuel. Par exemple, ces pseudo-embryons ne peuvent pas être cultivés plus longtemps qu’un certain nombre de jours, au-delà duquel ils doivent être détruits. Cette réflexion est d’autant plus nécessaire qu’il n’est pas exclu que l’amélioration des conditions de production et de culture permettent à l’avenir à ces pseudo-embryons de s’approcher inéluctablement du statut d’embryons à part entière, ce qui poserait alors d’autres questions fondamentales tant éthiques et philosophiques que sociétales, sur leur utilisation. A la source de ce questionnement se trouvent à la fois les définitions même d’un embryon et de son statut, et l’impact sur ces définitions de la façon dont cet embryon serait produit et porté, biologiquement parlant.

La Morphogénèse : La Danse des Cellules

Pendant le développement embryonnaire, les cellules utilisent l’information contenue dans le génome pour construire l’organisme. Ceci est accompli par une succession de mouvements morphogénétiques durant lesquels les cellules se divisent, meurent, se déforment et se déplacent. C’est la séquence et la combinaison des mouvements morphogénétiques qui construisent l’architecture spécifique de chaque espèce. Pour comprendre la morphogénèse, nous devons tenir compte de l’évolution, la génétique, la biologie cellulaire et la biophysique. La recherche se focalise sur les aspects mécaniques de la morphogénèse des embryons de mammifères.

Le développement préimplantatoire donne naissance au blastocyste qui est composé d’un épithélium squameux enveloppant une cavité et la masse cellulaire interne. Pour former le blastocyste, une séquence de trois mouvements morphogénétiques se produit: la compaction, l’internalisation et la cavitation.

Au stade 8-cellule, la compaction est un processus d’adhésion cellulaire qui arrondi l’embryon. Comme l’arrondissement d’une gouttelette, la compaction résulte de l’action d’une tension de surface. Durant le stade 8-cellule, la tension à la surface des cellules augmente lorsque le cortex d’acto-myosine augmente sa contractilité. Au même moment, l’augmentation de la contractilité des cellules démarre des vagues de contractions périodiques.

Au stade 16-cellule, les blastomères peuvent se retrouver a l’extérieur ou à l’intérieur de l’embryon, entourées par les cellules voisines. La division de 8- à 16-cellule est cruciale dans le positionnement des cellules. La division peut être orientée de façon à pousser une des cellules filles vers l’intérieur de l’embryon. La division peut également être asymétrique en distribuant des molécules distinctes aux deux cellules filles et ainsi leur procurer des propriétés contractiles différentes. Ces différentes propriétés contractiles déclenchent l’auto-organisation des cellules de l’embryon en cellules internes ou externes. Ce positionnement des cellules contrôle leur programme génétique et la différentiation en tissus embryonnaire ou extra-embryonnaire. La mécanique des cellules semble influer sur cette différentiation.

Au stade 32-cellule, une cavité se forme entre les cellules externes et internes. Au départ de ce processus, de multiples cavités se créent puis fusionnent en une seule cavité. Durant la croissance des cavités, les contacts entre les cellules internes et externes se brisent.

Pendant la morphogénèse, la contractilité d’acto-myosine est souvent un des moteurs principaux des changements de forme des cellules et des tissus. Sur des échelles de temps plutôt longues, ces changements aparaissent continus, mais, en réalité, les contractions qui les contrôlent sont pulsées et se répètent de façon périodique. Il est intéressant de noter que ce phénomène peut être observe chez d’autres animaux que la souris, comme le vers, la mouche et la grenouille.

Après une division asymétrique, les ondes corticales de contractions périodiques peuvent être utilisées pour prédire quelle cellule est prédisposée à l’internalisation et à se différencier en tissue embryonnaire. En effet, les cellules qui deviendront extra-embryonnaires ont une contractilité plus faible.

Mesurer les Propriétés Mécaniques des Cellules

Des micropipettes peuvent être facilement combinées avec un microscope confocal à haute résolution afin d’établir un rapport entre les propriétés mécaniques et les processus sub-cellulaires. L’aspiration dans une micropipette peut être utilisée pour mesurer la tension de surface ou la viscosité des cellules ou des tissus.

Un système à double micropipette permet de mesurer la force de couplage entre les cellules in vitro et d’estimer les contributions relatives de l’adhésion et la contractilité dans la formation des contacts cellulaires, ainsi que les propriétés élastiques du cortex d’actom-myosine.

Le Sauvetage d'Embryons Interspécifiques

Lors de croisements interspécifiques, le développement complet de l’embryon est rarement possible. On pratique alors (après fécondation) un prélèvement précoce des embryons pour les mettre en culture sur un milieu nutritif artificiel. Cette technique de culture in vitro est appelée sauvetage d’embryons interspécifiques.

Par exemple, la tomate cultivée, Solanum lycopersicon, possède une variabilité génétique faible. En revanche, les tomates sauvages possèdent de nombreux gènes de résistance aux maladies notamment l’espèce Solanum peruvianum. L’incompatibilité avec les espèces sauvages génétiquement les plus éloignées de la tomate cultivée ne peut être contournée que grâce au sauvetage d’embryon. L’embryon est prélevé avant la phase de maturation de la graine. Il est ensuite transplanté et cultivé sur un milieu artificiel, contenant des sels minéraux, des vitamines, des sucres et des hormones, permettant la régénération d’une plante nouvelle. L’hybride obtenu est souvent croisé par le parent de l’espèce cultivée (rétrocroisement) et sa descendance est sélectionnée, pour fixer des caractères nouveaux et intéressants, tout en éliminant les caractères indésirables issus de l’espèce sauvage.

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L'Évolution Embryonnaire des Espèces : Un Voyage de la Cellule à l'Organisme