La biologie du développement a longtemps été une science descriptive, où des générations d’embryologistes ont méticuleusement comparé la forme et la structure des embryons pour comprendre comment les organes se mettent en place ou comment les espèces diffèrent entre elles. Avec l'avènement des techniques de quantification simultanée du niveau des ARN transcrits (transcriptome), il est devenu possible de suivre et de corréler le développement morphologique d’un organe ou d’un embryon avec une série temporelle de transcriptomes.
Similarités et différences initiales
Au tout début de leur parcours de développement, les embryons de différentes espèces partagent une similitude frappante. Ils commencent leur vie à partir de points de départ différents et se développent pour devenir des espèces dotées d’organes, de caractéristiques et de tailles qui leur sont propres. Cependant, à un moment donné, ils présentent des formes remarquablement similaires.
Une étude récente a mis en lumière des similitudes frappantes entre des espèces différentes au niveau de l'expression génétique lors des premières étapes du développement embryonnaire. Les chercheurs ont utilisé un système basé sur des informations recueillies auprès de dizaines de milliers de cellules individuelles, ainsi que sur des photos et des mesures physiques d’embryons individuels.
Convergence du développement : le modèle du sablier
Les scientifiques ont trouvé des similitudes frappantes entre la souris et le lapin dans l’expression des gènes responsables du développement des tissus au stade de convergence décrit par le modèle du sablier. Environ 75 gènes ont été identifiés comme des facteurs clés dans ce processus. Cette découverte valide le modèle du sablier et montre que, malgré les formes géométriques très différentes des embryons, leurs gènes et leurs cellules se comportent de manière remarquablement similaire.
Différences dans le développement des cellules reproductrices
Les chercheurs ont également identifié des différences considérables entre les souris et les lapins en ce qui concerne le développement des cellules reproductrices précoces, qui deviendront plus tard l’ovule et le spermatozoïde. Ces différences sont essentielles pour maintenir la continuité entre les générations. Une meilleure compréhension du développement de ces cellules chez le lapin pourrait permettre de mieux comprendre le même processus chez l’homme.
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Approches méthodologiques
L'étude comparative du développement embryonnaire nécessite des approches méthodologiques sophistiquées, notamment :
- Analyse transcriptomique : comparaison de la dynamique d’expression de l’ensemble des gènes pendant le développement de différents organes ou espèces.
- Modèles informatiques : utilisation de modèles informatiques pour identifier les gènes et caractériser les types de cellules activées au cours des premières étapes du développement embryonnaire.
- Imagerie et mesures physiques : collecte d’informations à partir de dizaines de milliers de cellules individuelles, ainsi que des photos et des mesures physiques d’embryons individuels.
Développement des membres
Le développement des membres est un processus complexe qui implique une série d’étapes régulées par des gènes spécifiques et des signaux moléculaires.
Induction du bourgeon de membre
Le développement du bourgeon de membre est induit par l’acide rétinoïque (RA) en provenance des somites et du mésoderme latéral, ainsi que par les gènes Hox et la voie de signalisation Wnt/β-caténine. Ces facteurs permettent d’établir l’expression de Tbx5 dans la région de la somatopleure 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.
Contrôle de l’axe proximo-distal
L’axe proximo-distal du bourgeon de membre est contrôlé par l’AER, qui est un épaississement de l’épiderme distal exprimant plusieurs membres de la famille des facteurs de croissance des fibroblastes (FGF), dont FGF8. L’axe proximo-distal 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).
Contrôle de l’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 ZPA produit Shh, qui est un morphogène impliqué dans la spécification des doigts.
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Différences interspécifiques
Des différences notables sont observées entre certaines espèces comme par exemple entre la souris et la chauve-souris. Chez la chauve-souris, la zone interdigitale est maintenue et même étendue, alors qu’elle disparaît chez la souris.
Cellules souches pluripotentes
Les cellules souches pluripotentes (CSP) sont des cellules capables de s’auto-renouveler et de se différencier en différents types cellulaires. Il existe deux types de CSP : les cellules souches pluripotentes embryonnaires (CSPE) et les cellules souches pluripotentes induites (CSPI).
Cellules souches pluripotentes embryonnaires (CSPE)
Les CSPEs ont été isolées pour la première fois dans les années 1980 à partir d’embryons murins. Elles ont la propriété unique de contribuer à la colonisation de la lignée germinale d’un embryon lorsqu’elles sont injectées dans un blastocyste préimplantatoire. Les CSPEs de primates non humains et humains ont été obtenues pour la première fois dans les années 1990 à partir de culture d’embryons préimplantatoires.
Cellules souches pluripotentes induites (CSPI)
La mise au point de la reprogrammation somatique en 2006 a permis de créer des CSPIs à partir de cellules somatiques. Cette approche consiste à exprimer une combinatoire de gènes dans une cellule somatique, conduisant ainsi à sa reprogrammation en cellule souche pluripotente induite. Les CSPIs partagent la plupart des propriétés des CSPEs mais sans le questionnement éthique de l’utilisation et de la destruction des embryons lors de leur mise en culture.
Implications pour la recherche et la médecine
La compréhension des mécanismes du développement embryonnaire comparé a des implications importantes pour la recherche fondamentale et la médecine. Elle permet de mieux comprendre les processus évolutifs, d’identifier les causes des malformations congénitales et de développer de nouvelles thérapies pour les maladies humaines.
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