Introduction
Le développement embryonnaire est un processus complexe et fascinant qui conduit à la formation d'un organisme multicellulaire à partir d'une seule cellule, l'œuf fécondé. Chez les vertébrés, ce processus est caractérisé par une série d'étapes clés, notamment la segmentation, la gastrulation et la neurulation. L'étude de l'embryon de xénope, une espèce d'amphibien, offre un modèle précieux pour comprendre les mécanismes fondamentaux du développement embryonnaire des vertébrés.
Plan d’organisation du système nerveux des vertébrés
Le système nerveux : un réseau de communication complexe
Interagir en adéquation avec le monde qui nous entoure, respirer, se déplacer… sont autant de fonctions régies par le système nerveux. Présent dans toutes les régions du corps, le système nerveux représente un des plus importants moyens de communication de l'organisme. Le système nerveux est également composé de neurones qui produisent et libèrent des hormones. On parle alors de système neuro-endocrinien. A titre d'exemple, on peut citer la production de l'hormone antidiurétique, ou ADH, au niveau du corps cellulaire de certains neurones hypothalamiques. Cette distinction repose sur des considérations d'ordre embryologiques.
Organisation générale du système nerveux
Le système nerveux des vertébrés est divisé en deux parties principales :
Le système nerveux central (SNC), encore appelé névraxe, est composé de toutes les structures protégées par la boîte crânienne et la colonne vertébrale. Il est donc représenté par l'encéphale et la moelle épinière, et constitue le centre de régulation et d'intégration du système nerveux.
Le système nerveux périphérique (SNP) correspond à la partie du système nerveux située à l'extérieur du système nerveux central. Il forme une des voies de communication entre les différentes régions du système nerveux central et les nombreux systèmes de l'organisme.
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L'encéphale : un organe complexe en développement
Les cinq vésicules qui constituent le plan d'organisation fondamental de l'encéphale des vertébrés se mettent en place très tôt, au cours de l'embryogenèse. C'est pourquoi, l'observation des transformations du tube neural, au cours du développement embryonnaire, permet de faciliter la compréhension de la terminologie associée aux divisions structurales de l'encéphale et la compréhension de la disposition et des relations entre les différentes structures cérébrales adultes.
Développement embryonnaire : les étapes clés
Les stades précoces du développement
Tous les vertébrés passent par des stades de développement comparables après la fécondation. On assiste en premier lieu à la segmentation de l'œuf au cours de laquelle l'augmentation du nombre de cellules aboutit à une structure de type blastula. Vient ensuite la phase de gastrulation pendant laquelle se mettent en place les trois feuillets embryonnaires, suite à des mouvements cellulaires importants.
La neurulation : mise en place du système nerveux
C'est au cours de la phase de neurulation que débute la mise en place du système nerveux. La neurulation correspond au processus par lequel un épaississement de l’ectoderme dans la partie dorsale de l’embryon délimite la future plaque neurale, dont est dérivé l’ensemble du système nerveux, qui sous l'influence de mouvements morphogénétiques se referme sur elle-même pour créer le tube neural.
Induction du tissu nerveux
L'induction du tissu nerveux à partir de l'ectoderme est sous la dépendance de signaux inhibiteurs. En effet, il existe chez l'embryon de vertébré une voie de signalisation mettant en jeu les facteurs BMP/GDF qui induisent la différenciation de l'ectoderme en épiderme. Cette voie de signalisation est également présente dans la future région dorsale de l'embryon. Cependant, lors de la phase de gastrulation, le centre organisateur de Spemann libère des facteurs, parmi lesquels noggin, chordin, follistatin…qui neutralisent cette voie de signalisation. La neutralisation de ces facteurs BMP/GDF est à l'origine de la différenciation de l'ectoderme non pas en épiderme mais en tissu neural.
Développement de l'encéphale
Intéressons nous maintenant au développement de la partie rostrale du tube neural, à l'origine de l'encéphale. Dès que le tube neural est formé, son extrémité rostrale se développe plus rapidement que son extrémité caudale. La partie antérieure du tube neural est à l'origine de la formation de l'encéphale et la partie postérieure de la moelle épinière. Les premières étapes de la mise en place de l'encéphale au cours du développement embryonnaire sont similaires pour toutes les espèces appartenant au groupe des vertébrés.
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Développement du cortex chez les mammifères
Chez les mammifères, un trait évolutif majeur consiste en l'extraordinaire développement du cortex, qualifié de néocortex, associé à l’hypertrophie des hémisphères cérébraux. Ce phénomène est responsable de changements marqués au cours de l'embryogenèse. A partir du stade cinq vésicules, les deux renflements émergeant du télencéphale, et qui formeront les hémisphères cérébraux, vont dans un premier temps se projeter vers l'avant. Puis, confrontés au manque d’espace, ces hémisphères poursuivent leur croissance vers l’arrière et les côtés.
La gastrulation chez le xénope
La gastrulation est une étape critique dans le développement de tous les animaux, car c’est l’étape où les trois feuillets (ectoderme, mésoderme et endoderme) prennent leur position définitive dans l’embryon. Les cellules prolifèrent et surtout migrent abondamment pendant cette étape. La gastrulation, un terme introduit par Ernst Haeckel en 1872, veut dire littéralement “mise en place du gaster”, c’est-à-dire mise en place de l’intestin primitif. La gastrulation a été très étudiée chez les Amphibiens, car ce sont les organismes où elle est particulièrement accessible et bien visible.
Observation et marquage des territoires
Un exemple de marquage de territoire chez l’embryon de xénope avec un colorant vital permet de suivre les mouvements de la gastrulation. Vogt a réalisé une expérience en 1929 pour suivre le devenir des marques colorées au cours de la gastrulation d’un Amphibien.
Mouvements des tissus pendant la gastrulation
Ligne du haut : Carte des territoires et déformation des tissus des feuillets embryonnaires de X. laevis pour les stades 10 à 13. Les mouvements de l’ectoderme (blanc), du mésoderme (bleu) et de l’endoderme (jaune) sont indiqués. Le plancher du blastocœle est indiqué par une ligne rouge. Ligne médiane : Gastrulas en coupes sagittales aux stades 10 à 13. Le pôle animal est en haut, le pôle végétatif en bas, le côté ventral à gauche et le côté dorsal à droite. Ligne du bas : les gastrulas aux stades précoce, intermédiaire et avancé sont indiqués avec le stade de développement (stades définis par Nieuwkoop et Faber (1994)) et la chronologie correspondante. Le début de la gastrulation est fixé à 0:00 en heures et minutes. Le blastocœle (bc) et l’archentéron (arc) sont indiqués. Durant la gastrulation, la cavité dans la blastula appelée blastocœle est envahie par des cellules. On observe qu’une invagination, le blastopore, se creuse et finit par former une cavité, l’archentéron, qui constituera la lumière du tube digestif. L’archentéron se développe au détriment du blastocœle qui est écrasé. Le mésoderme entre par la lèvre dorsale du blastopore et entraîne l’endoderme à l’intérieur. Une partie de l’endoderme forme le bouchon vitellin dans le blastopore.
Observations à différents stades
Début de la formation du blastopore en forme d’anse de panier. Après le petit saut d’image, le blastopore devient circulaire. Notez en haut les cellules pigmentées qui se déplacent et rentrent à l’intérieur de l’embryon par le blastopore. Stade bouchon vitellin : le blastopore apparait comme bouché par les macromères de l’endoderme. Les mouvements de convergence-extension commencent à allonger l’embryon selon l’axe antéro-postérieur et le blastopore est repoussé dans la région postérieure (où il donnera l’anus). On est maintenant en vue dorsale.
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L'épibolie
L’épibolie est le mouvement de recouvrement de l’ensemble de la surface de l’embryon par l’ectoderme (alors qu’avant la gastrulation, l’ectoderme ne recouvre que l’hémisphère animal, le reste de la surface étant de l’endoderme). Deux processus interviennent dans cette augmentation de surface : la prolifération cellulaire et aussi l’intercalation radiaire : initialement l’ectoderme est constitué de 3 couches de cellules.
Intercalation radiaire dans l’ectoderme du xénope
L’ectoderme est constitué initialement de 3 couches (de l’extérieur vers l’intérieur : rouge, vert clair, vert foncé). Les cellules des deux couches les plus internes finissent par ne former qu’une seule couche et les cellules de la couche externe s’aplatissent. S8, S10 et S11 représentent les stades de de développement du xénope.
Les cellules en bouteille
L’encoche blastoporale se forme par l’invagination de cellules en bouteille. Ces cellules ont un « cou » sous-apical mince et le reste du cytoplasme forme un bulbe basal. Ce sont des cellules de l’endoderme pharyngien qui se déforment ainsi grâce à l’action de leur cytosquelette : la constriction apicale est due aux microfilaments d’actine associés à la myosine et l’élongation est due aux microtubules.
Rôle des microfilaments d'actine
Les microfilaments d’actine sont nécessaires à la formation des cellules en bouteille. On observe les microfilaments d’actine sur de jeunes gastrulas de xénope avec un marquage à la phalloïdine fluorescente. Notez la concentration de ces microfilaments au niveau des cellules en bouteille qui forment une invagination. On réalise également un immunomarquage contre la forme phosphorylée de la chaîne légère de la myosine (pMLC) qui interagit avec l’actine et permet la contraction apicale. En présence de molécules qui inhibent la polymérisation de l’actine (Latrunculine B [LatB] ou Cytochalasine D [CytoD]), la formation des cellules en bouteille est inhibée.
Mise en évidence de l'endocytose
Mise en évidence de l’endocytose dans la région apicale des cellules en bouteille par la présence de vésicules biotinylées (A) Vue du pôle végétatif (gauche), coupe sagittale médiane (centre) et grossissement supérieur de la coupe sagittale médiane (à droite) des embryons de stade 10 marqués avec NHS-LC-sulfo biotine (reconnu par un anticorps fluorescent rouge couplé à la streptavidine) et avec un anticorps anti-DM1α (tubuline, vert). La flèche indique les cellules en bouteille. Barre d’échelle = 25 µm. (B) Sections confocales sagittales médianes d’embryons colorées avec un anticorps anti-EEA1 (un marqueur d’endosome précoce, vert) et la biotine est repérée en rouge. On constate que la biotine d’origine externe est colocalisée avec le marqueur d’endosome précoce, mettant en évidence une endocytose. (C) Sections confocales sagittales médianes d’embryons injectés d’ARNm de Rab5 couplé à la eGFP (Rab5 est présent dans les endosomes précoces) puis fixées et colorées avec de l’anticorps anti-GFP. Les flèches dans (B) et (C) indiquent la colocalisation de la biotine avec des marqueurs d’endosomes précoces. (D) Sections confocales sagittales médianes d’embryons après marquage pulse-chasse avec de la biotine (incubation avec de la biotine limitée dans le temps puis incubation sans biotine). Les embryons ont été fixés aux moments indiqués et colorés avec de l’anti-DM1α (tubuline) et de la streptavidine (qui se lie à la biotine). Les flèches indiquent les endosomes qui semblent être sur ou près de la membrane basolatérale. Dans toutes les coupes sagittales médianes, les images sont orientées le côté végétatif vers le bas à gauche.Barres d’échelle pour (B)-(D) = 50 µm.
Migration du mésoderme
Les cellules en tête de la lame de cellules mésodermiques qui pénètrent dans l’embryon migrent activement le long de la matrice extra-cellulaire riche en fibronectine qui recouvre l’intérieur du toit du blastocœle. Ici la coiffe animale (AC) comprenant le toit du blastocoele est disséquée avec la zone marginale dorsale (DMZ) et ventrale (VMZ) contenant des cellules mésodermiques (Me). Les cellules de la DMZ migrent sur le toit du blastocoele où se trouve de la matrice extracellulaire riche en fibronectine (ECM). Les cellules mésodermiques expriment des intégrines qui interagissent avec l’ECM, ce qui leur permet de migrer. Notez que les cellules de l’AC expriment aussi des intégrines mais ne migrent pas. Si on retourne le toit du blastocœle (de telle manière à ce qu’il n’y ait plus de fibronectine du bon côté), ou si on empêche les interactions fibronectine-intégrine par des peptides RGD qui servent de « leurres » aux intégrines, les mouvements de migration sont inhibés, ce qui donne des embryons déformés.
La convergence-extension
La convergence-extension est le mouvement qui permet l’allongement de l’embryon selon l’axe antéro-postérieur à la fin de la gastrulation et lors de la neurulation. Le tissu qui s’allonge devient en même temps plus étroit d’où le terme de convergence associé à l’extension.
Mise en évidence des mouvements de convergence-extension
Des groupes de cellules du mésoderme chordal sont spécifiquement marquées. On les suit entre les étapes précoces et les étapes tardives de la gastrulation. Pour la vue « en face » les couches cellulaires superficielles (ectoderme) ont été enlevées. Des explants dits sandwich, adapté de Schechtman (1942), montrent que le mésoderme chordal/somitique présomptif et que le tube neural postérieur présomptif peuvent avoir un mouvement de convergence-extension alors qu’ils ne sont pas attachés à un substrat et sont indépendants d’autres processus générateurs de force dans l’embryon (Keller et Danilchik, 1988). Chez le xénope mais aussi chez le poisson-zèbre, l’allongement de l’embryon le long de l’axe antéro-postérieur ne provient pas seulement des mouvements de convergence-extension mais aussi, un peu plus tard, d’une vacuolisation des cellules de la corde, notamment celles qui se trouvent dans sa partie antérieure (McLaren et al., 2021).
Vacuolisation des cellules de la corde chez le Poisson-zèbre
La vacuolisation progresse de la partie antérieure (plus foncée) à la partie postérieure (plus claire) de la corde et les progéniteurs exprimant noto (jaune) ajoutent des cellules à la partie postérieure de la corde. Les images sont issues de coupes sagittales.
Fermeture du blastopore
Le blastopore, en train de se refermer, est rempli par un bouchon vitellin formé par des macromères végétatifs riches en vitellus. Les cellules en bouteille sont en vert.
Développement larvaire du xénope
Après la neurulation et la phase larvaire, la forme de l'embryon change. On distingue les régions céphalique, troncale et caudale. Les ébauches d'organes, notamment les ébauches oculaire, branchiale, cardiaque et caudale, deviennent visibles en lumière rasante. La région céphalique ventrale et l'ébauche de la moëlle épinière sont également reconnaissables. Les cellules du pôle végétatif seront à l'origine du tube digestif. Postérieurement, le bourgeon caudal croît.
Le têtard : une larve aquatique
Le têtard de xénope est une larve aquatique qui mène une vie libre. Il nage et se nourrit de manière autonome. La morphologie du têtard va se modifier progressivement. Les membres antérieurs et postérieurs apparaissent. La queue natatoire va régresser. Le têtard se transforme en grenouille au cours de la métamorphose.
Anatomie du têtard
Le têtard de xénope possède une anatomie caractéristique, avec un corps translucide qui permet d'observer les organes internes. Le coeur animé de battements rapides est visible. L'anatomie oculaire est classique d'un vertébré. La tête du têtard est traversée par les poches branchiales. Ventralement, l'intestin forme des anses enroulées en spirale.
Segmentation et métamérie
L'embryon de xénope présente une segmentation appelée métamérie, avec des unités répétitives le long de l'axe antéropostérieur. Cette segmentation est visible au niveau des myotomes, à l'origine des muscles vertébraux.
Les gènes Hox et le développement des membres
Les gènes Hox jouent un rôle crucial dans le développement des membres chez les vertébrés. Des mutations de gènes homéotiques peuvent entraîner des malformations des membres. Les complexes Hox sont responsables du développement des membres chez les poissons et les tétrapodes. L'augmentation du nombre de gènes Hox est observée chez les poissons.
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