d'après le livre "Comment les cellules construisent
l'animal" de Rosine Chandebois,
Phénix-éditions, 1999 (cité avec la
référence RC dans cette page, voir
biblio)
Site internet très documentés
iconographiquement et avec de nombreux liens sur d'autres sites (mais
chiches en données expérimentales): http://www.snv.jussieu.fr/vie/
La page sur le développement embryonnaire de l'hermelle:
http://www.snv.jussieu.fr/bmedia/SiteSabellaria/Sabelbm.htm
est intéressante (la fécondation expérimentale
chez l'hermelle est facile à réaliser dans nos salles
de cours: voir reproduction).
J'attire votre attention sur le passage où l'auteur affirme
qu' "il a été démontré chez d'autres
espèces que Sabellaria, que le lobe polaire correspond
à une région cytoplasmique liée au destin du
blastomère D et qui contient des déterminants
cytoplasmiques nécessaires au rythme du clivage, à la
spécification de l'axe dorsoventral et à la
différenciation du mésoderme. Ces déterminants
seraient liés au cytosquelette cortical. "
Les pages sur le développement embryonnaire du Xénope
sont aussi très riches iconographiquement: http://www.snv.jussieu.fr/bmedia/xenope1/index.htm
et peuvent documenter des recherches faites par les
élèves.
Les pages (texte simple) présentant les
homéogènes ou plutôt les gènes
sélecteurs est illustrée d'images issues de
différentes pages sur internet : http://www.snv.jussieu.fr/bmedia/homeotique/homeo0.html:
une erreur qui me choque: sur la page http://www.snv.jussieu.fr/bmedia/homeotique/
homeo1.html: le code
génétique n'est pas la séquence des bases de
l'ADN du chromosome - qui pourrait plutôt être
qualifiée d'information génétique - , mais la
correspondance ARNm-ARNt-aa )
Le site de l'inrp possède aussi un dossier sur le développement: www.inrp.fr/Acces/biotic/develop/controle/accueil.htm , assez hétérogène (type de documents, auteurs, niveau des sources... très variables). La page pédagogique http://www.inrp.fr/Acces/biotic/develop/controle/html/plan.htm appelle bien des réserves et je souhaite y substituer une toute autre démarche (voir cours de seconde).
Depuis les travaux de Archibald Garrod, Georges Wells Beadle, Edward Tatum, pour n'en citer que quelques-uns (voir une histoire de la génétique), la notion de programme génétique c'est progressivement imposée pour désigner les mécanismes à l'origine du développement d'un organisme. Ce n'est pas sans réticences que ce mot a été accepté par les embryologistes qui travaillaient sur un embryon qu'ils considéraient comme engagé dans un développement autonome. Les généticiens du développement se sont lancés dans la recherche des mécanismes qui mettent en action ce programme, avec la certitude qu'il y avait bien un programme, et ont obtenu des résultats extrêmement riches, grâce à des techniques de plus en plus sophistiquées. Plus les résultats s'accumulent, tous interprétés dans le cadre de cette théorie, plus la notion de programme génétique devient évidente et "acceptée" par tous les scientifiques. On pourrait même dire qu'actuellement TOUTES (?) les découvertes scientifiques, même en embryologie (?), sont INTERPRÉTÉES dans le cadre de cette théorie, du fait du l'aspect social, politique des sciences, l'argent de la recherche étant distribué prioritairement (si ce n'est exclusivement) à ceux qui travaillent dans cette théorie et avec ces modèles (Drosophila melanogaster, axolotl, Cænorhabditis elegans, Arabidopsis...). Qui suis-je pour essayer de remettre en cause ce postulat ? Et pourtant je crois qu'il est nécessaire de reformuler toutes les questions, puisqu'on demande aux enseignants du secondaire d'enseigner le développement. Et ainsi mettre en avant la part de la théorie dans tout résultat expérimental. Suggérer une autre théorie que le paradigme dominant n'est peut-être pas le rôle d'un enseignant du secondaire. Cependant, un site internet pourrait être un bon outil pour élargir la discussion avec un assez grand nombre de collègues. Cette page est le reflet de mon travail et une ouverture, je n'ai aucune prétention à présenter une vérité enseignée, même si j'utiliserai cette page pour construire mon cours.
La position de l'enseignant, et encore plus dans le secondaire, n'est pas propice à la participation à des discussions théoriques avec les chercheurs, on a souvent l'impression d'avoir quitté le lieu où se construit la science en passant du laboratoire à la classe. Mais il nous reste une passion pour essayer de comprendre, par bribes, tous les articles de "vulgarisation de haut niveau" (La Recherche, Pour la Science) qui nous tombent sous la main... et des ouvrages que nous achetons régulièrement pour nous "maintenir au courant" (collection DeBoeck Université pour n'en citer qu'une). Oserais-je dire que la théorie actuelle de la génétique du développement, ne me satisfait pas (je n'arrive pas à l'enseigner car je ne suis pas convaincu), tout comme la manière d'aborder la génétique et tant d'autres questions comme l'immunologie ou la physiologie dans les programmes du secondaire? Pour cette partie je vais donc essayer encore une fois de faire un cours qui, s'il n'est pas politiquement correct, reste, je l'espère, scientifiquement correct. Mes erreurs viennent de mes ignorances (reconnues ou non) et je sais bien que je ne suis ni un embryologiste, ni un généticien... de laboratoire. Mais je revendique le droit à comprendre avant d'enseigner. Je vais faire souvent référence à la théorie de Rosine Chandebois, qui me paraît un très bon fil directeur, même si je ne la comprends certainement pas dans son intégralité, et si je l'adapte certainement à ma manière de voir, en essayant, à chaque fois de remonter aux expériences, ce qui n'est pas toujours facile. J'ajoute que se réclamer d'une certaine philosophie ou idéologie de façon claire et ouverte (ici, un vitalisme) n'est jamais aller contre la science, c'est l'idéologie masquée qui est mensonge.
retour plan
Par exemple chez les amphibiens on pense que les axes de symétrie de l'embryon sont définis par la charge en vitellus (axe animal-végétatif) et par le point d'entrée du spermatozoïde (axe dorso-ventral). C'est donc dans l'ovogénèse que l'on serait tenter d'abord de rechercher des éléments directeurs du développement.
Les ovogonies sont issues de mitoses (dites goniales) qui
:
- cessent au dernier stade larvaire avant la mue nymphale chez les
insectes;
- présentent une activité saisonnière chez les
amphibiens et quelques poissons osseux: après chaque ponte un
stock d'ovocytes est reconstitué à partir d'ovogonies
quiescentes;
- cessent, à de rares exceptions près, chez les
reptiles, les oiseaux et les mammifères, à la fin de la
vie embryonnaire ou peu après l'éclosion ou la
naissance.
Les ovogonies évoluent en ovocyte dès la fin de la mitose en augmentant leur volume et la méiose se bloque à la fin de la prophase de première division (stade diplotène): on parle d'ovocytes I. C'est ici que commence le véritable développement embryonnaire (Le Moigne, p 25) avec des synthèses d'ARN, de protéines nécessaires au développement de l'embryon, et avec l'accumulation de réserves.
La maturation d'ovocyte I à ovocyte II commence par migration de la vésicule germinative au pôle animal (déterminant une tache claire de maturation). Celle-ci se rompt et expulse le premier globule polaire (GP1). Les chromosomes se bloquent au stade métaphase de la 2ème division de méiose. De nouvelles protéines (dites de maturation) apparaissent et passent du nucléoplasme au cytoplasme et inversement. Elles persistent pendant la segmentation. Leur synthèse est nécessaire à l'expulsion du GP1 (l'inhibition de leur synthèse empêche cette expulsion). Les ARN nucléaires migreraient dans le cytoplasme et leur localisation serait déterminante pour la symétrie dorso-ventrale de l'embryon. Les cellules folliculeuses (épithélium ovarien interne), dont les prolongements étaient étroitement associés avec le cytoplasme périphérique de l'ovocyte (formant une zona radiata), se rétractent et se détachent de l'ovocyte.
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Le vitellus est concentré au pôle végétatif dans des plaquettes vitellines de grande taille. Le terme ancien de "vitellus" désigne un ensemble de substances sécrétées en dehors de l'ovocyte, transportées par le sang et accumulées dans le cytoplasme de l'ovocyte (protéines et phosphoprotéines synthétisées par le foie et accumulées sous forme de plaquettes associant des protéines et des lipides (phosvitine et lipovitelline dérivant toutes deux de la vitellogénine) sous contrôle mitochondrial, du glycogène et des lipides). |
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(en masse) |
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dont acides nucléiques |
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ovocyte II |
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cellule typique d'amphibien |
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* le diamètre normal d'une cellule eucaryote est d'environ 20 à 40 fois plus faible que celui de l'ovocyte; on considère ainsi que l'accroissement de volume est de 27000 fois entre l'ovogonie et l'ovocyte II; ne pas oublier que l'accroissement de volume, pour une sphère, est proportionnel au cube de celui du rayon... |
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Le stock d'ARN maternels de l'ovocyte se constitue à
partir d'une synthèse phénoménale: 89 % (pendant
la prévitellogénèse) à 95% (pendant la
vitellogénèse) des ARN synthétisés dans
le noyau sont dégradés avant de passer dans le
cytoplasme (la durée de vie des ARNm est courte: une demi-vie
de 35 jours est considérée comme fort longue et
caractérise des ARN stables). Le stock d'ARNm stables de
l'ovocyte est maintenu grâce à des transcriptions
incessantes (on estime à 15.000 le nombre de protéines
traduites à partir de ces ARNm maternels). Les ARNm
dirigés vers le cytoplasme sont utilisés pendant la
segmentation car aucun gène maternel n'est actif pendant cette
période et la traduction des ARN paternels ne commence
qu'à la mi-blastula pour les amphibiens et la drosophile
(dès la fécondation chez les oursins et les
mammifères). En tout cas on peut dire que le
développement du jeune embryon ne dépend pas
immédiatement des premières synthèses d'ARN de
son génome original. Ce décalage dans le
temps de l'expression de l'information génétique
propre de l'embryon est un argument fort pour rejeter
l'idée d'un programme génétique embryonnaire de
développement.
De nombreux ARNr sont aussi synthétisés. On estime
à 1012 le nombre de ribosomes contenus dans un
ovocyte de Xénope, ce qui est 100 fois supérieur
à celui des ribosomes produits en une année par une
cellule banale de l'organisme adulte. Cette synthèse de
ribosomes est réalisée grâce à la
réplication (500 à 2000 copies) de l'organisateur
nucléolaire (environ 500 gènes identiques codant pour
les ARN40s, précurseurs des ARNr18s et 28s) à l'origine
de nucléoles surnuméraires. La masse d'ADN
supplémentaire serait de l'ordre de 30 pg sur les 40 pg
correspondant à la masse d'ADN totale du noyau de
Xénope.
Ces données, certainement un peu anciennes, pourraient être revisitées à l'aide des nouvelles théories de M. Beljanski sur le rôle des ARN (voir page de génétique). Peut-être tous ces ARN ne sont-ils pas des ARNm ou des ARNr mais y-a-t-il parmi eux nombre d'ARN transformants, contenant une réelle information héréditaire pouvant être transcrite de façon inverse dans l'ADN (par une transcriptase inverse que M. Beljanski a isolé dans des œufs de poissons notamment) où être stabilisée (comme épisome et ainsi transmise par exemple à une lignée cellulaire) ou encore utilisée.
Les protéines spécifiques synthétisées lors de la maturation de l'ovocyte sont par exemple des histones (en quantité suffisante pour 20.000 cellules), de la nucléoplasmine (intervenant dans l'assemblage des histones avec l'ADN), de la tubuline, des protéines ribosomiques, de l'ADN polymérase, de l'ARN polymérase ( une vésicule germinative à une activité ARNpolymérasique égale à celle de la totalité des ARN polymérase de 400.000 cellules), de la fibronectine...
Remarques:
La fécondation est externe chez les amphibiens et en milieu aquatique, essentiellement représenté par la gangue muqueuse qui entoure les œufs: le mâle arrose de son sperme les ovocytes II pondus par la femelle (le mâle tient fermement le dos de la femelle: c'est l'amplexus). La pénétration du spermatozoïde, provoquant une traînée spermatique, formée par les pigments corticaux entraînés avec le noyau spermatique, n'est possible que dans le seul hémisphère animal. Elle déclenche des remaniements qui déterminent le plan de symétrie dorso-ventral de l'embryon dans les deux heures qui suivent la fécondation. Le second globule polaire est émis, les granules corticaux rejettent leur contenu à l'extérieur du zygote (réaction corticale) et la membrane vitelline devient membrane de fécondation, se décolle de la membrane plasmique ce qui permet dans les 30 min suivant la fécondation (à 18°C), une rotation du zygote sous l'effet de la pesanteur, le pôle végétatif, plus lourd, s'orientant vers le bas (on parle de rotation d'équilibration). Chez les Urodèles il peut y avoir pénétration de plusieurs spermatozoïdes.
Une heure 10 min après la fécondation (toujours à 18°C) le cytoplasme superficiel (pigmenté) réalise une rotation de symétrisation qui est un mouvement de bascule autour d'un axe passant par le centre de l'œuf et orthogonal à un plan déterminé par les pôles animal et végétatif et la traînée spermatique (qui devient le plan de symétrie dorso-ventral de l'embryon). Le cytoplasme pigmenté se recentre en quelque sorte d'environ 30° autour du point d'entrée du spermatozoïde. Le cytoplasme peu pigmenté découvert par ce mouvement détermine un croissant plus claire appelé croissant gris. Il détermine la région dorsale du futur embryon. Chez le Xénope le mouvement de rotation de symétrisation est dirigé par les microtubules qui se développent en aster (spermaster) autour du centriole qui a pénétré dans l'ovocyte avec le noyau du spermatozoïde. Le détail des mouvements sort du cadre de ce petit aperçu mais il faut aussi tenir compte des mouvements du noyau de l'ovocyte II fécondé (pronucléus femelle) et de la présence de nombreux microtubules localisés essentiellement dans le cytoplasme cortical du zygote. Chez les Urodèles le déterminisme de la symétrisation de l'embryon est inconnue.
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En résumé : Il n'est pas rare de voir écrit que le zygote est une cellule qui contient toute l'information nécessaire pour faire un individu pluricellulaire complet adulte. Mais cette vision n'est pas neutre philosophiquement. On pense facilement à une information figée et stable qu'il faut progressivement utiliser. Si cette affirmation est analogue à celle qui suppose qu'un bébé possède toutes les capacités nécessaires pour devenir un homme, cela est sans doute vrai, mais affirmer qu'il existe un programme, un déterminisme, en acte, dans le zygote, c'est aller beaucoup plus loin que de penser qu'il y a une potentialité, qui pourra s'épanouir, s'il n'y a pas d'accident, et si l'environnement est favorable à chaque étape du développement. On peut emprunter à Bergson sa vision du futur qui n'est pas, qui n'est pas même un possible car il serait alors déterminé. C'est la vie qui est le seul lieu de l'être, c'est le présent qui est mais ni le passé ni le futur. Le maintien dans l'être, le développement dans l'être est un présent nouveau posé à chaque instant du vivant. Cette question est bien sûr essentielle quand il s'agit de s'entendre sur le début de la vie de la personne pour l'être humain. |
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1 - Expériences dites "de Gurdon", 1973: transplantation nucléaire chez la grenouille (J.B. Gurdon, Gene expression during cell différenciation, Oxford, U.K. : Oxford University Press, 1973, cité dans Biologie moléculaire de la cellule, 1994, p 1051; nombreuses autres données dans Biologie du développement, 1989, p 206-212) |
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Un œuf non fécondé mais mature (ovocyte II) de grenouille est irradié au pôle animal à l'aide d'U.V. (voir lumière, bien que je n'ai pas réussi à trouver précisément ce que l'on détruisait par les U.V...) qui dégradent la vésicule germinative (voir ci-dessus et plus bas). On injecte alors dans le cytoplasme de l'ovocyte ainsi énucléé un noyau (2n) d'une cellule dédifférenciée d'un tissu d'une grenouille adulte. Il faut aussi noter que seules certains tissus peuvent être mis en culture et se dédifférencier, comme par exemple les kératinocytes: cellules de la peau synthétisant de la kératine comme protéine essentielle. L'injection du noyau se solde souvent par la mort de la cellule énucléée et transplantée mais parfois on réussit à obtenir des divisions de l'ovocyte transplanté. Pour obtenir un têtard il est nécessaire de réaliser une seconde transplantation d'un noyau issu d'une cellule de la blastula (massif embryonnaire à une cavité) à l'intérieur d'un second ovocyte énucléé. |
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2 - Expériences de Gurdon, 1968 : technique de transplantation nucléaire chez le Xénope; (Biologie du développement, A. Le Moigne, Masson, p 208) |
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ovocyte II irradié (UV) au pôle
animal pour détruire la vésicule germinative
(lignée ovocytaire à 2 nucléoles) +
transplantation à la pipette d'un noyau de
cellule d'intestin de têtard (un seul
nucléole). Donne une blastula dont on
prélève les noyaux que l'on retransfère
dans des ovocytes énucléés comme
précédemment; on obtient: |
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remarques:
Les biologistes moléculaires interprètent
habituellement cette expérience en terme
d'expression différentielle de l'information
génétique contenue dans le noyau d'une
cellule. C'est ainsi qu'ils parlent aisément de
clonage, en référence à
l'information génétique potentielle contenue
dans les cellules de l'embryon formé (le têtard
possède matériellement la même
information génétique que l'adulte qui a
fourni le noyau transplanté). |
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A ces expériences sur les amphibiens il faudrait ajouter les récents résultats obtenus sur les mammifères (Dolly...). Un dossier à consulter: "Clonage: la nature résiste", La Recherche, 334, septembre 2000, 28-40. « Depuis l'événement Dolly, en 1996, beaucoup d'animaux ont été clonés avec succès. Mais le taux d'échec est considérable. Beaucoup d'animaux ont des problèmes (il y a probablement une erreur de fond dans la recette...). Maint succès annoncé n'a pu être reproduit...» |
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retour plan
Des principes du fonctionnement cellulaire à ceux du
développement
(extrait de Comment les cellules construisent
l'animal, Rosine Chandebois, phénix éditions, 1999,
p 24-25)
« Si on a postulé puis justifié l'existence
d'un programme génétique ou de prepatterns qui
orchestreraient les activités des cellules, c'est pour avoir
donné de celles- ci une idée simplifiée à
outrance. Avec un schéma plus élaboré, d'autres
principes s'imposent pour le développement.
La libération différentielle de l'information
génétique, qui est le principe de la
différenciation cellulaire, est encore attribuée
à la seule répression d'une partie du génome,
sans accorder à la variabilité des rendements des
gènes l'importance capitale qui lui a été
reconnue. Celle- ci simplifie pourtant les problèmes dans la
mesure où elle permet d'attribuer le même
déterminisme à la différenciation tissulaire,
apparemment d'ordre qualitatif, et à l'extrême
diversité, dans chaque tissu, des rendements des
synthèses spécifiques, puisque les cellules
présentent les caractères histologiques d'un tissu
donné lorsque leurs " valeurs" se situent dans une certaine
marge.
Par ailleurs, on a pensé que le rôle particulier
joué par chaque cellule lui est entièrement
dicté à chaque instant parce qu'on a ignoré la
mémoire cellulaire. Une activité biochimique
momentanément entretenue par une cellule laisse dans son
cytoplasme des traces qui sont transmises à sa descendance,
mais qui toutefois s'effacent plus ou moins si elle est
isolée. Ainsi, la singularité d'une cellule de
l'organisme a été créée par un effet de
sommation des informations extra-cellulaires successivement
enregistrées par son ascendance depuis le début du
développement, un progrès qui aurait été
rendu impossible sans l'entretien d'une mémoire collective.
En ne voyant dans les cellules que des machineries de
molécules commandées par les gènes, on a omis de
prendre en considération les diverses composantes de leur
comportement d'organismes autrefois libres. Or elles jouent un
rôle essentiel dans la ségrégation des fonctions
tissulaires et dans la création de la forme. Sensibles aux
variations du métabolisme et aux agressions
extérieures, leur dérèglement est à
l'origine des malformations congénitales et accidentelles.
Si, dans l'organisme en développement, la cellule constitue
une unité fonctionnelle et morphogénétique -
parce que douée d'une certaine autonomie dans
l'accomplissement de son métabolisme et dans son comportement
individuel -, elle ne doit pas être considérée
comme une unité opérationnelle, puisque les
gènes, manipulés par le cytoplasme, ne peuvent
être à l'origine de changements quelconques dans leurs
activités. La cellule répond seulement à
des modifications dans son environnement, soit dans les cellules avec
lesquelles elle est en contact direct, soit dans la composition du
milieu intercellulaire. Il s'en suit que la différenciation
des cellules représente le travail de systèmes qui
intègrent leurs activités.
Les principes de leur fonctionnement sont ceux des
systèmes cybernétiques dits "
téléonomiques", qui ont pour particularité de
s'organiser seuls ( autopoïèse). Ce travail n'implique
pas une augmentation des capacités des unités
fonctionnelles, mais leur permet d'utiliser celles qu'elles ne
peuvent manifester isolément. Les unités d'un
système téléonomique doivent être
conçues spécialement pour communiquer, pour entretenir
des activités très diversifiées, pour garder la
mémoire d'activités temporaires (où
définitives quand le système, ayant
épuisé ses capacités, est amorti), soit
individuellement, soit collectivement.
Ce sont précisément là les
caractéristiques des cellules qui ont constitué des
organismes extrêmement complexes, sans augmentation de la masse
d'ADN contenue dans leur noyau. »
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Une cellule est une unité fonctionnelle et
structurale: son activité ou comportement peut
être regardé selon les trois composantes du
travail du vivant qu'elle réalise, même si
les limites en sont un peu floues: travail de relation, de
nutrition et de reproduction. |
La segmentation est totale et inégale chez les amphibiens; elle commence 2h30 après la fécondation (à 18°C); elle se déroule, comme le reste du développement embryonnaire, dans la gangue protectrice. Le premier plan de segmentation est dans 50% des cas très proche de celui de la symétrie bilatérale défini après la fécondation.
Les embryologistes proposent comme hypothèse du déterminisme des premières divisions la présence de différents déterminants cytoplasmiques (ou pourrait parler de mémoire ovocytaire) que l'on a étudié notamment dans les œufs des ascidies, des mollusques et des annélides dits "en mosaïque"(chaque cellule de la blastula a une détermination précise et on ne peut enlever des fragments cytoplasmiques ou fragmenter la blastula sans aboutir à un arrêt du développement; alors que dans les œufs "à régulation" - comme chez les oursins et les vertébrés - des ablations importantes de cytoplasme ou une fragmentation de la blastula sont régulés et permettent d'obtenir des individus complets). Le rôle des déterminants est encore flou, comme par exemple celui des ARNm maternels, des protéines de la vésicule germinative, et éléments des différents territoires comme celui du croissant gris ou du plasme germinatif qui donnera naissance aux cellules germinales primordiales. Les embryologistes moléculaires y ajoutent l'idée, sans vérification expérimentale, que ces déterminants pourraient réprimer le génome de chaque cellule embryonnaire jusqu'au stade où, suffisamment dilués par les divisions de la segmentation, l'expression du génome original de l'embryon pourrait s'exprimer.
Ceci est une vision extrêmement passive du rôle, lui-même très flou, des déterminants. Il est probablement plus riche d'essayer de comprendre d'une façon plus générale le comportement cellulaire comme résultat d'un comportement autonome et social. On touche là un point très classique: l'opposition, peut-être uniquement apparente, entre un mécanisme qui a tendance à regarder la cellule comme un ordinateur qui reçoit des données et prend des ordres après des cellules voisines ou, pire, qui obéit à un programme de développement déterminé qu'elle porterait en son nucléoplasme, et un vitalisme qui préfère parler de comportement, de tendance, de lois de développement qui sont celles de la progression autonome, de l'adhésivité cellulaire, de la cohésion sociale ou encore du comportement social élémentaire...
La première étape de l'embryogenèse est donc le passage du système cellule -zygote (individu unicellulaire) puis amas de cellules (morula, individu pluricellulaire)- au système population cellulaire - l'individu étant composé de plusieurs populations cellulaires réunies en une gastrula.
Un cellule appartenant à une population
cellulaire (qui initie donc une certaine
différenciation ou spécialisation) perd une partie de
son autonomie ce qui se traduit au niveau de chaque type de
travail:
- du point de vue du travail de relation, son
appartenance à un groupe de cellule détermine, à
partir de sa cohésion et du type de liaisons mises en place
avec les autres cellules (stables ou dynamiques,
étroites-serrées ou lâches, communicantes ou
fermées...) la morphologie du tissu. « En
schématisant beaucoup, la morphogenèse est souvent une
succession de passages de l'état épithélial
à l'état de mésenchyme dissocié et
migrateur pour former ensuite à nouveau un
épithélium ». C'est tantôt le
mécanisme des adhésions qui joue (en
présence d'une ou de plusieurs CAM: cellular adhesive
molecules), tantôt le mécanisme des migrations
(avec des molécules de liaison à la fibronectine)(c.f.
Le Moigne, p 166). D'un point de vue plus interne, une cellule
appartenant à une population présente une
compétence vis-à-vis de tel ou tel signal (les
agents pouvant être des substances chimiques dites
inductrices, des agents tératogènes, une
modification du pH, de la température, une
désorganisation mécanique...): cette capacité
peut être regardée à la fois comme un vestige
d'autonomie et comme une particularité liée à la
population (résultat pour une bonne part de la mémoire
cellulaire). La réponse possible d'une cellule appartenant
à une population à la suite d'une modification de son
environnement dépend donc fortement de cette
mémoire.
- du point de vue du travail de nutrition on peut dire
qu'une cellule appartenant à une population présente un
profil métabolique qui représente à la
fois la spécificité métabolique du tissu
auquel elle appartient (une cellule musculaire synthétise
énormément de myoglobine, d'actine, de myosine... par
exemple) et ses propres capacités d'évolution
(un erythrocyte ne synthétise plus que de
l'hémoglobine, une fois perdu son noyau et une bonne part de
ses organites, sa différenciation en hématie est
irréversible; alors qu'une cellule épithéliale
embryonnaire de la vésicule optique synthétise par
exemple des cristallines qui lui confèrent une
potentialité cristallinienne qui ne sera perdu que tardivement
chez les plupart des vertébrés et peut même
persister cher l'adulte dans quelques groupes d'amphibiens, ce qui
explique la possibilité d'expériences de
transdifférenciation: des cellules de la rétine peuvent
encore se dédifférencier et redonner cristallin dans
certaines conditions expérimentales). On considère
qu'il existe une valeur critique pour chaque substance à
partir duquel le métabolisme ne peut plus cesser sans causer
la mort de la cellule, c'est le seuil de
différenciation. Cette notion est assez claire pour une
seule protéine mais beaucoup plus difficile à envisager
pour un métabolisme particulier en encore moins pour
l'ensemble des activités d'une cellule. Il y a presque
toujours une certaine plasticité
métabolique d'une cellule.
- du point de vue du travail de reproduction, la
capacité à se multiplier peut ou non persister au sein
de la population. Souvent seules certaines cellules, dites
cellules souches, gardent cette capacité au sein de la
population.
Les embryologistes désignent par PROGRESSION
AUTONOME l'automatisme présenté par une
population de cellules embryonnaires qui évoluent, en absence
de toute information extérieure, dans la direction d'une
spécialisation fonctionnelle (ou
détermination). Une population en
retour est défini par un ensemble de cellules issues d'une
même cellule embryonnaire et engagées dans une
même progression autonome. La composante cellulaire de la
progression autonome est ce que Rosine Chandebois appelle le
comportement social élémentaire (CSE),
c'est-à-dire, avec mes mots, le travail de relation, de
nutrition et de reproduction de la cellule au sein de la
population.
Le terme de compétence est utilisé par les
embryologiste pour désigner un état fugace pendant
lequel une cellule ou un groupe de cellules appartenant à une
population et donc engagée(s) dans une progression autonome
est susceptible de passer un seuil de différenciation pour tel
ou tel métabolisme et donc de s'engager dans une autre
progression autonome, sous l'action d'un facteur inducteur
(interaction avec une population voisine la plupart du temps).
Par exemple l'ectoderme dorsal des
vertébrés évolue naturellement par augmentation
de l'adhésivité cellulaire en plaque neurale au contact
(on parle d'induction) de la chorde (l'ectoderme seul
dégénère) (RC, p 32). Ainsi les
progressions autonomes s'enchaînent naturellement au sein de
l'embryon par inductions. Dans certains cas on peut
considérer qu'une seule progression autonome donne naissance
à deux types de tissus différenciés
différents si certaines cellules ne répondent pas
à la même vitesse et surtout au même moment
à l'induction ou à la détermination qui a
enclenché la progression autonome. Par exemple
le mésenchyme de rein donne à la fois des tubules
urinaires et le tissu conjonctif qui les maintien en place selon que
les cellules du mésenchyme ont réussi ou non à
réaliser des condensations (RC p 33).
Les limites de l'action d'un inducteur sont
déterminées, non pas par la zone de contact de celui-ci
avec la population receveuse, mais par la compétence des
cellules qui s'induisent de proche en proche (on parle d'induction
homéogenétique); on pense que plus une cellule est
éloignée de la zone d'induction, plus sa
compétence risque d'être faible, ce qui détermine
un gradient d'induction, lié non pas aux capacités de
l'inducteur mais à la compétence des cellules induites
(RC, p35).
Remarques: on peut perturber, lors du développement,
la progression autonome d'une population cellulaire. Par exemple
- si l'on désagrège les cellules d'une population: la
progression autonome s'arrête et peut reprendre une fois que
les cellules sont reagrégées et s'achever normalement:
.
- si l'on modifie la cohésion entre les cellules d'une
population mais sans les séparer : par exemple si l'on cultive
un fragment de vésicule optique en suspension on obtient une
rétine alors que cultivé sur un support, le même
fragment donne un épithélium pigmentaire; de la
même manière un amas de cellules du mésenchyme du
membre cultivé en suspension donne du cartilage alors qu'il
donne des fibres musculaires s'il est cultivé sur un support
(RC, p 29, voir planche
dans la biblio de ce site).
L'émergence de la forme d'un organe est sous la dépendance directe de la différenciation tissulaire, elle même sous la dépendance des interactions complexes entre les populations appartenant à l'organe et les populations voisines. On emploie le terme de réajustement pour désigner les interactions au sein des populations impliquées dans l'émergence d'un organe, qui font suite aux déterminations des progressions autonomes.
Un exemple (RC, p 41-43, figures extraites de l'ouvrage et
modifiées légèrement):
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Émergence de la forme du bourgeon de membre chez les Vertébrés Tétrapodes |
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le bourgeon de membre contient un mésenchyme à partir duquel se différencie une calotte apicale sous-la quelle on distingue une zone d'intense activité mitotique: la zone de prolifération apicale puis l'extrémité du bourgeon s'élargit on n'observe pas de calotte apicale chez de nombreux groupes de vertébrés apodes |
désagrégé et placé en culture, le mésenchyme engendre des îlots de précartilage typiques en nombre proportionnel au volume du tissu prélevé  |
le mésenchyme constitue une population engagée dans une progression autonome qui resserre les contacts cellulaires; un certain pourcentage de cellules arrive à se condenser en îlots qui évoluent différemment de la masse des autres cellules, dont les contacts ne sont pas assez étroits |
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l'ablation de la calotte apicale empêche
l'émergence du membre si l'on greffe une calotte supplémentaire à la base du bourgeon on observe une extrémité supplémentaire  la mutation eudiplopode chez le poulet provoque l'apparition d'une excroissance portant deux doigts supplémentaires (d'où le nom de la mutation) |
à l'extrémité du bourgeon se différencie une calotte apicale par induction du mésenchyme sur l'épiderme  |
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la calotte apicale induit en retour une activité mitotique intense dans les cellules du mésenchyme sous-jacentes (zone de prolifération apicale) |
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la mutation eudiplopode chez le poulet resserre l'adhésion des cellules de l'épiderme de la calotte ce qui délimite une calotte principale et une calotte secondaire donnant deux extrémités au bourgeon: l'une se développe avec deux doigts, l'autre avec les doigts habituels |
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Chez le mutant brachypode de la souris le membre est anormalement court  le mésenchyme du membre d'une souris brachypode cultivé un vivo forme des ilôts de précartilage plus rapidement que du mésenchyme non muté des anomalies de même ordre ont été obtenues en traitant par l'acide rétinoïque des régénérats de pattes d'Amphibiens |
la vitesse de la progression autonome peut être modifiée par des mutations ou des agents chimiques , et provoquer une anomalie morphogenétique |
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chez les mutants talpid du poulet la motilité des cellules du mésenchyme est réduite: elles se condensent avec difficulté (d'où le nombre plus élevé d'ilôts de précartilage par unité de volume et donc une polydactylie) et migrent trop lentement en direction de l'extrémité du membre (d'où un membre trop court ressemblant à un membre antérieur de taupe: talpus) |
les cellules du mésenchyme sont attirées par les cellules apicales, on observe donc des déplacements de cellules du mésenchyme qui s'accumulent dans l'extrémité du bourgeon qui s'élargit donc |
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la répartition des îlots de précartilage et donc des futurs os du membre est donc sous la dépendance d'un gradient proximo-distal (le nombre d'ilôts est d'autant plus grand que le volume de mésenchyme est important, ce qui, du fait de l'élargissement de l'extrémité du membre, explique la séquence: 1 condensation pour le stylopode (humérus du bras), 2 pour le zeugopode (radius et cubitus de l'avant-bras) et davantage pour l'autopode (carpiens, métacarpiens et phalanges de la main)...) |
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les territoires situés dans la partie externe entre les îlots de précartilage présent une cytolyse (apoptose) qui séparent ainsi les doigts une fois les doigts individualisés, la croissance du bourgeon s'arrête, seuls les doigts continuent de croître, momentanément |
si la cytolyse ne se produit pas les doigts restent attachés les uns aux autres (syndactylie); ce qui est un phénomène normal par exemple chez les Palmipèdes munis d'une membrane palmaire  l'administration d'aspirine à des fœtus de souris au 11ème jour de la gestation, provoque la formation de doigts supplémentaires (en empêchant la mort cellulaire au niveau de la calotte) |
la fragmentation de la calotte, due aux cytolyses des massifs interdigitaux, provoque l'arrêt de la croissance du bourgeon; les fragments de calotte encore au contact des extrémités des doigts permettent une croissance en longueur de ceux-ci; la croissance se termine par arrêt de la progression autonome |
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La mutation antennapedia de la drosophile s'exprime à la métamorphose par l'émergence des structures d'une patte dans l'ébauche larvaire de l'antenne. Ceci peut s'expliquer par une activité mitotique trop intense de la zone sous-apicale de la calotte antennaire. On peut provoquer cette activité en soumettant des ébauches à de faibles doses de rayons X ou en les cultivant dans des conditions qui ajournent la métamorphose. On peut supprimer cette activité en appliquant chez le mutant un antimitotique (colchicine) au stade de la crise épi génétique. |
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Une expérience classique de Holtfreter (1931) citée
dans un ancien livre d'embryologie (Embryologie, Charles Houillon,
Hermann, 1969) conduit à penser que chez les amphibiens la
neurula âgée présente une détermination en
territoires appelés champs
morphogénétiques. Ces territoires avaient
déjà été postulés par Harrison
dans des expériences datant de 1918. sont maintenant
appelés prepatterns et sont considérés
comme étant sous la dépendance
d'homéogènes. Voici quelques éléments de
réflexion.
A la différence des territoires présomptifs de la
blastula, les champs morphogénétiques sont
caractérisés par une détermination qui ne peut
plus faire l'objet de régulation... dans les conditions
expérimentales de cette époque.
L'ablation de la totalité du champ d'un membre
empêche définitivement l'apparition de ce membre dans la
suite du développement. Ce qui est interprété
dans la cadre de la théorie des champs comme une
détermination acquise définitivement par un territoire.
Pour Rosine Chandebois ce n'est que la calotte apicale et le
mésenchyme sous-jacent qui est enlevé et qui
empêche effectivement le développement du bourgeon de
membre. De la même manière si l'on greffe le territoire
du membre antérieur sur une autre neurula on observe la
formation d'une patte antérieure complète
surnuméraire sur l'embryon receveur. Ce que Houillon
interprète comme un comportement du champ
morphogenétique identique à celui "d'un petit germe
à l'intérieur de l'embryon". Pour Rosine Chandebois
il ne s'agit que d'une induction réalisée par la
calotte apicale supplémentaire greffée (voir cadre
ci-dessus). Houillon note: "pour amputer un germe dès le
stade neurula, il est nécessaire de pratiquer une très
large ablation. Si l'ablation n'intéresse que la moitié
du champ, la partie restante peut, par régulation,
édifier tout de même un membre normal. Le greffon
enlevé et transplanté sur un autre germe édifie
à son tour un membre surnuméraire et même, si ce
greffon se trouve fragmenté en deux éléments,
deux membres surnuméraires s'édifieront. Ainsi,
à partir du même territoire déterminé en
tant que membre antérieur, il est possible d'obtenir par
régulation trois membres complets.» Ces
expériences s'interprètent aussi facilement dans le
cadre de la théorie de Rosine Chandebois à partir d'une
fragmentation de la calotte apicale. L'extension du pseudo champ
morphogenétique étant celui de la population
engagée dans une progression autonome de type membre et
compétente vis-à-vis de l'induction
réalisée par la calotte apicale épidermique.
On présente la neurula comme "une mosaïque de
territoires capables de s'autodifférencier" ou champs
morphogénétiques (Le Moigne, p 193). "Ces
territoires de l'embryon ne représentent pas encore de
différenciations visibles mais représentent
l'ébauche réelle d'un organe". "A
l'intérieur d'un champ, les régulations sont encore
possibles, pendant un certain temps".
La reformulation moderne des champs morphogénétiques en
prepatterns, généralement conçus
comme des gradients de substances morphogènes ne
modifie fondamentalement cette hypothèse ancienne qui consiste
à imaginer que chaque cellule sait à tout instant
quelle doit être son activité en fonction de sa position
par rapport aux autres cellules d'une même structure. A
cette hypothèse Rosine Chandebois oppose plusieurs
arguments:
- la régulation des structures, c'est -à-dire la
régénération après ablation partielle ou
greffe, devrait être possible pendant toute la vie puisque le
prepattern, codé génétiquement (?),
serait une composante de la cellule spécialisée. Alors
que Rosine Chandebois pense que la régulation n'est possible
que dans le cadre de la progression autonome d'une population
embryonnaire, même si, dans certains groupes, cette
faculté puisse persister plus ou moins longtemps.
- la régénération, d'un membre par exemple,
observée dans certains groupes est souvent
interprétée comme étant une régulation
embryonnaire reprogrammée à partir de cellules
spécialisées. Alors que Rosine Chandebois pense que
la partie manquante se reconstitue à partir d'un bourgeon
juxtaposé à la souche, formé par des cellules
retournées à l'état embryonnaire, parfois de la
même manière qu'elle s'est édifiée pendant
l'organogenèse. Éventuellement le
régénérat se complète en imposant un
remaniement de la souche à proximité de la section
(RC, p 13).
- si la régulation des structures était une
propriété de l'embryon persistant parfois chez l'adulte
comment expliquer que certains organismes adultes soient capables de
régénération alors qu'aucune régulation
ne peut être obtenue expérimentalement au début
du développement.
Pour Rosine Chandebois, une intervention microchirurgicale portant
sur une population cellulaire chez l'embryon est souvent, mais pas
toujours, suivi d'une développement normal, ce qui est
qualifié d'une façon générale de
régulation des structures alors que ce n'est pas
forcément le même type de mécanisme:
- on parle de restitution après une ablation
partielle
- d'assimilation, après transfert de l'une de ses
parties dans une autre
- de régulation des excédents si tout ou une
partie d'une population identique lui a été
associée.
Si l'ablation ou la fusion intervient juste après la
détermination et avant le réajustement, il est fort
probable que la morphogenèse se déroule normalement,
sans déficit ni excédent.
Par contre une population de cellules embryonnaires ayant acquis
une certaine organisation est incapable de la réparer. Si
une ablation est réalisée après le
réajustement d'une ébauche la forme est
irrémédiablement perdue. Pour réédifier
un membre disparu la progression autonome devrait se dérouler
dans le même environnement cellulaire que pendant
l'organogenèse. Il faut donc invoquer d'autres
mécanismes pour la régénération.
Remarque:
Il existe un modèle "darwinien" de différenciation
proposé par certains généticiens qui est
fondamentalement opposé de ce que je viens d'expliquer (voir
par exemple La différenciation
cellulaire, Jean-Jacques Kupiec et Pierre Sonigo, Pour la Science,
Dossier "Les sociétés cellulaires", Hors Série,
avril 1998, p 50-53). Ils proposent une
activation des gènes ordonnée linéairement (ce
qui justifierait la colinéarité des gènes du
développement), les types cellulaires seraient ensuite
sélectionnés par des interactions cellulaires. Ils
opposent leur modèle sélectif (qualifié de
modèle "hasard-sélection") à des modèles
instructionnistes (qualifiés de "lamarckiens"), les
gènes étant activés dans l'ordre d'un programme
déterminé, en réponse à des inducteurs
extracellulaires. Mais ce modèle ne va pas contre
l'idée de programme génétique du
développement il se contente d'affirmer que le programme est
dans la colinéarité, ordre des gènes dans le
chromosomes. Ils proposent les modifications de l'ordre des
gènes et des séquences régulatrices
associées comme mécanisme évolutif.
La racine latine
homœo orthographiée homéo
en français viendrait du grec homolos = semblable
et n'est donc pas différente de la racine homo.
Les homéogènes ou gènes
homéotiques ont été définis
chez la drosophile par les travaux de Edward Lewis à partir de
1948 (Edward B. Lewis, Christiane Nusslein-Volhard et Eric F.
Wieschaus ont ainsi reçu le prix Nobel de physiologie et de
médecine en 1995 pour leurs travaux concernant le
contrôle génétique du développement
embryonnaire). Ces gènes "architectes" - comme les a
nommé rapidement le grand public - avaient été
postulés car on observait une modification importante et
reproductible du plan d'organisation de la mouche adulte
(l'homéose ou homéosis
désignant le changement d'une partie du corps en une autre)
à la suite d'une mutation. Des homéoses ont
été décrites bien avant la connaissance des
gènes : on cite notamment William Bateson, qui , en 1894, en
étudiant les variations intraspécifiques chez un
coléoptère, observa notamment l'apparition de pattes
à la place des antennes. Il fit des observations similaires
chez les végétaux, où les étamines
pouvaient par exemple être remplacées par des
pétales. Il n'y a pas de raison, sauf idéologique, de
penser que toutes les homéoses sont d'origine
génétique. Au début des années 1980 David
Hogness et Welcome Bender isolèrent les gènes
Ultrabithorax, Abdominal-A et Abdominal-B chez
la mouche bithorax qui a deux paires d'ailes au lieu d'une
paire d'aile et d'une paire de balanciers
(illustrations sur: http://www.snv.jussieu.fr/bmedia/homeotique/
homeo2.html). Walter Gehring,
Richard Garber, Mathew Scott et Thomas Kaufman, isolèrent
à leur tour les gènes Labial,
Proboscapedia, Deformed et Antennapedia chez la
mouche mutante antennapedia. Rapidement une séquence
particulière isolée d'abord chez antennapedia
fut retrouvée identique dans tous les gènes
homéotiques (d'où le nom, car ils possédaient
tous une partie de séquence semblable) et nommée
homeobox. La grande surprise fut de retrouver cette
homeobox chez la souris puis chez l'homme. Commencèrent
alors des recherches, qui se poursuivent, pour déterminer
où et comment, chez l'embryon, les homéogènes
étaient exprimés et quel pouvait être leur
rôle.
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Cependant les
homéogènes, dont la définition
repose sur une mutation homéotique, ne
contiendront pas forcément tous cette
homeobox, même si, pour l'instant, c'est le
cas (pour les animaux mais pas pour les
végétaux). En retour, tous les gènes
à homeobox ne sont pas des gènes
homéotiques, ce qui est vrai pour de très
nombreux gènes du développement
(voir par exemple l'entretien avec
Hervé Le Guyader sur le site de
l'inrp:
http://www.inrp.fr/Acces/biotic/develop/controle/html/leguyader.htm
et l'encadré sur le
développement de la
drosophile).
La présence d'une homeobox indique une
fonction (exprimée ou non) de régulation de
la transcription suite à la fixation de
l'homéodomaine sur l'ADN: une protéine
contenant un homéodomaine est donc a priori
supposée être une protéine
régulatrice. |
Pour essayer d'illustrer (et de clarifier) mes propos je propose
deux étapes:
* l'étude d'un exemple: la formation des
doigts à partir d'articles de La Recherche, de Pour La
Science et de l'ouvrage: Biologie Moléculaire de la
cellule
* un essai de compréhension du développement
de la Drosophile et les interprétations qu'en font les
généticiens du développement
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L'origine des doigts, Denis Duboule et Paolo Sordino, La Recherche, 296, mars 1997, p 66-69 Sept années plus tard, un article qui reste, à mon avis, dans la même ligne: |
« Par la méthode d'hybridation in situ, nous pouvions enfin localiser précisément les domaines d'expression de chacun de ces gènes [homéotiques]. Autrement dit, prévoir où et quand ces gènes interviennent dans le développement des différents organes. Les doigts s'étaient-ils développés à partir d'un élément présent sur la nageoire ou bien s'agissait-il d'une véritable innovation morphologique? La génétique et l'embryologie allaient peut-être nous permettre de tester les hypothèses des uns et des autres. En quelques années cette technique s'est effectivement montrée très performante et nous a permis de décrypter la fonction et l'action de plusieurs dizaines de gènes homéotiques au cours des principales étapes de la morphogenèse des membres et des nageoires. Ces nouvelles expériences permirent d'étayer une idée déjà supportée par les études comparatives des bourgeons de nageoire et de membre, à savoir l'existence d'une sorte de bifurcation dans les phases tardives de leur développement. Chez les mammifères, les homéogènes sont regroupés en quatre complexes HoxA, HoxB, Hoxc et HoxD* (Hox est une abréviation pour Homéobox) localisés sur des chromosomes différents(I, II). Très récemment, dans une étude portant sur la souris, nous avons constaté que les gènes HoxD s'exprimaient dans des régions différentes du membre pendant son développement. Dans une première phase (correspondant au début du bourgeonnement), ces gènes s'expriment suivant une stratégie de poupées russes centrée sur la partie basse du bourgeon. Dans une seconde phase, lors de la formation des doigts, leur domaine d'expression s'étend vers l'extrémité avant et les bords supérieur et inférieur du bourgeon. Ce mécanisme est-il observé chez les poissons ? Pour répondre à cette question il nous faut d'abord caractériser le bagage génétique c'est-à-dire identifier les complexes Hox responsables de leur développement. Par clonage des gènes Hox d'un petit poisson du Gange, le poisson-zèbre (le Danio rerio), nous avons retrouvé les quatre mêmes complexes A, B, C, D, qui caractérisent donc tous les vertébrés. Premier élément important : le passage des poissons aux tétrapodes n'a donc pas été accompagné d'une augmentation du nombre de gènes Hox. Sur la base de cette découverte, nous avons suivi, dans un deuxième temps l'activation des gènes au cours du développement de la nageoire pectorale (celle située à l'avant, homologue à nos bras) du poisson-zèbre. (Cette constatation est très générale concernant l'évolution qui s'est probablement faite sans augmentation du nombre de gènes, ce qui est un argument en défaveur du programme génétique forcément de plus en plus complexe chez des organismes dont le développement est de plus en plus long et complexe). Cette étude a permis de montrer qu'il existait au stade précoce du développement une grande similitude entre petit poisson et la souris, les gènes HoxD s'exprimant essentiellement dans la partie basse de la future nageoire. (Voilà une ressemblance moléculaire fort pertinente mais il ne faut pas oublier la ressemblance embryologique qui crève les yeux et qui a une toute autre importance: mêmes bourgeons, avec du mésenchyme surmonté d'une calotte apicale...) En revanche, dans le stade morphogenétique plus avancé, aucune activation de ces gènes n'est détectée dans la partie avant et sur les bords inférieur et supérieur du bourgeon comme c'est le cas chez la souris. Seule donc la phase précoce d'expression des gènes HoxD est observée chez les poissons. Il en est de même des gènes du complexe HoxA qui, au stade avancé du développement, ne sont pas activés de la même façon chez les poissons et les tétrapodes. Une différence fondamentale dans la phase terminale de la morphogenèse suggère que les doigts sont bien des structures nouvellement formées. D'un point de vue strictement moléculaire, la phase I du développement fait donc intervenir les mêmes gènes aux mêmes endroits chez le poisson et la souris, ce qui, à notre avis, explique les similitudes morphologiques (homologie) entre certains éléments osseux de la nageoire et les trois os principaux du membre. (Cette conclusion est aussi un peu surprenante alors que les auteurs viennent d'expliquer que les mécanismes anatomiques, histologiques et cytologiques sont identiques... peut-on faire reposer ces similitudes sur une étude moléculaire ?) En revanche, la nageoire semble être dépourvue de la phase terminale présente dans la morphogenèse des membres. Cette différence fondamentale suggère que les doigts sont bien des structures nouvellement formées. Les poissons pourraient-ils fabriquer des doigts ? Il est probable qu'ils en ont bel et bien le potentiel génétique mais qu'ils en sont empêchés au stade avancé du développement. (Vous pardonnerez cette remarque mais on a vraiment l'impression de se trouver en face d'un élève borné: pourquoi imaginer un programme commandant une structure alors que les conditions du développement suffisent à expliquer les différences entre les deux types de membres? ...Faire fabriquer des doigts à un bourgeon de téléostéen ne semble pas irréalisable si l'on pouvait contrôler la prolifération et l'adhésivité cellulaire du mésenchyme et reproduire les inductions...). Seule responsable de leur évolution morphologique, la machinerie génétique a choisi pour eux la solution «nageoire». (id.) Peut-on pour autant en conclure que ces choix génétiques sont les véritables initiateurs du passage de la nageoire au membre il y a environ 380 millions d'années ? Posé de cette façon, le problème reste entier. Les mécanismes moléculaires que nous avons décrits constituent une solution possible. Mais si cette solution est bien la bonne, quel scénario évolutif pouvons-nous proposer ? Il semble que le facteur déterminant du choix entre les rayons flexibles et les doigts soit le moment précis auquel la croissance du bourgeon diminue, suite au repli de la couche ectodermique. Il s'agirait donc d'une illustration très réussie d'un mécanisme d'hétérochronie* par lequel un temps - celui du repli détermine la structure finalement produite : le repli est précoce et les rayons apparaissent, le repli est tardif (ou inexistant) et les doigts apparaissent.(Voilà une remarque très intéressante: l'hétérochronie qui nous vient de la paléontologie est une présentation des variations chronologiques d'apparition de structures ou de fonctions chez des organismes voisins; elle s'intègre parfaitement à mon avis à la théorie de Rosine Chandebois; j'ai essayé d'en dire quelques mots dans le cours de paléontologie: 3.a.2) Une innovation morphologique qui aurait précédé de plusieurs millions d'années la colonisation de la terre ferme.» |
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exemple d'expérience issu de Biologie moléculaire de la cellule, Alberts et al., Flammarion, Médecine-Sciences, 1994, p 1064 (fig 21-35). |
Une expérience de greffe d'un fragment mésodermique du bourgeon de la patte sous la calotte apicale du bourgeon de l'aile du poulet (d'après J.W. Saunders et al., Dev. Biol. 1/281-301, 1959): l'aile obtenue comporte un stylopode et un zeugopode resté embryonnaire avec respectivement un et deux os; l'autopode est différencié de façon anormale avec deux doigts.  D'après fig 21-36 de Biologie moléculaire de la cellule, Alberts et al., Flammarion, Médecine-Sciences, 1994, p 1064 La légende de la figure (partie de gauche) est:
le tissu destiné à devenir une cuisse,
greffé à l'extrémité d'un
bourgeon d'aile de poulet, se transforme en orteil.
L'interprétation proposée est la suivante: |
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Comment se construisent les doigts ? Yann Hérault et Denis Duboule, La Recherche, 305, janvier 1998, 40-44 un article avec le même auteur que l'article précédent de La Recherche sur le sujet mais une toute autre vision à mon avis... (10 ans plus tard voir une conférence de ce même auteur : http://www. college-de -france. fr/media/ phi_sci/UPL31 752_2008 _03_20 Duboule.pdf) Les figures extraites de l'article sont volontairement modifiées afin de n'être utilisables que pour la seule illustration sans copie possible.... |
« Il est inutile de chercher "les gènes des doigts" : ils n'existent pas. Ceux qui ont été identifiés à ce jour sont aussi impliqués dans la genèse du système nerveux central ou du système uro-génital. La transformation d'un bourgeon cellulaire en un membre doté d'un bras, d'un avant-bras et d'une main à 5 doigts est un superbe exemple du bricolage de l'évolution, des contraintes imposées aux formes des organismes... et de l'étendue des problèmes de morphogenèse qui restent à résoudre. Il est probablement vain de disserter sur l'utilité d'avoir cinq doigts plutôt que trois ou quatre. Au hit-parade des structures ayant joué un rôle important au cours de l'évolution, les doigts se trouvent certainement en bonne place. En effet, ces outils extraordinaires ont participé de façon essentielle à la colonisation du milieu terrestre, il y a plus de 350 millions d'années : les premiers vertébrés tétrapodes munis de doigts étaient très vraisemblablement aquatiques. Plus tard, ils ont sans doute contribué à l'acquisition de fonctions intégrées complexes, notamment au travers des changements de posture liés à une étape cruciale de notre phylogenèse : la libération des membres antérieurs des contingences liées au déplacement. En outre, les doigts (et les membres en général) représentent un exemple particulièrement parlant d'adaptations réussies à des contraintes très variées. Ainsi, le cheval court sur un doigt, la vache sur deux, un oiseau vole grâce à des ailes issues de trois doigts (mais marche avec quatre ou deux doigts, selon qu'il est poulet ou autruche), alors que noue pentadactylie nous autorise en principe des activités plus diverses. Pourtant, cette diversité de formes masque une grande unité dans les mécanismes développementaux sous-jacents, reflétant ainsi le paradoxe apparent du néodarwinisme : faire du différent à partir du semblable. Chez les humains, la construction de ces mécaniques de précision ne va pas sans poser problème : les malformations congénitales des membres affectent près de 7 enfants sur 10 000. Pour la plupart, elles dérivent de modérations des devenirs cellulaires au cours du développement embryonnaire. La détermination de l'origine moléculaire de ces pathologies, longtemps restée énigmatique, est aujourd'hui possible suite à des études menées sur les rongeurs. On commence à entrevoir l'avènement d'une véritable génétique de la digitation, nous permet, tant de comprendre les secrets de la fabrication des extrémités des membres et, par conséquent, les modifications qui y furent apportées au cours de l'évolution. On observe des similitudes étonnantes entre certaines anomalies congénitales humaines et des phénotypes produits expérimentalement chez l'animal. Elles découlent des homologies entre les structures squelettiques dites appendiculaires des vertébrés tétrapodes. En effet, les membres des vertébrés supérieurs sont tous construits sur la base d'un plan unique, dont les multiples éléments peuvent être reconnus d'une espèce à l'autre. Ainsi, on distingue principalement trois parties dans le plan d'organisation du membre antérieur : le bras (ou stylopode), soutenu par l'humérus, l'avant-bras (ou zeugopode) constitué du radius et du cubitus, et la main (ou autopode) qui rassemble les os du poignet et des doigts. Trois axes principaux permettent d'orienter le membre et de repérer ses différents éléments dans l'espace : l'axe proximo-distal qui s'étend de l'épaule aux phalanges, l'axe antéro-postérieur, que l'on peut suivre du pouce vers l'auriculaire, et l'axe dorso-ventral, perpendiculaire à la paume de la main. Les homologies entre les membres des vertébrés ne sont pas seulement visibles au niveau de l'organisation finale. Des études embryologiques ont mis en évidence la conservation de la séquence de formation du membre. Chez les tétrapodes amniotiques - dont nous faisons partie - la mise en place des éléments du futur squelette suit une séquence spatiale et temporelle, conservée et bien définie, faite de condensations spontanées, de segmentations et de branchements. Une analyse embryologique comparée de ce processus suggère que l'axe principal du membre passe par le bras, l'avant-bras, puis s'infléchit antérieurement pour former la main. C'est un axe dynamique établi sur les apparitions progressives des foyers de condensation des cellules qui donnent naissance aux éléments osseux du membre. La conservation de cette séquence d'apparition des foyers précartilagineux chez les différents tétrapodes, ainsi que les similitudes morphologiques, permettent d'envisager une généralisation des connaissances acquises dans plusieurs systèmes d'études. Chez la souris, les membres émergent du tronc sous la forme d'une excroissance cellulaire appelée « bourgeon appendiculaire », dont la forme première est relativement simple. Au bout de quelques jours, cette structure présente une organisation quasi identique à celle du membre de l'adulte. Le bras est déterminé et fabriqué le premier l'avant-bras ensuite, puis la main ; nos mains sont plus jeunes que nos bras Le développement de ce bourgeon dépend de deux phénomènes essentiels qui adviennent au niveau de la partie distale : la prolifération et l'organisation des cellules. Ces deux aspects de la formation du membre ont souvent été considérés comme relativement indépendants, mais il apparaît de plus en plus évident qu'ils sont étroitement liés, en particulier au niveau de leur contrôle génétique. Les bourgeons appendiculaires sont des structures très finement organisées. Différentes régions ont été identifiées lors de l'étude de la morphogenèse des membres du poulet. Chacune de ces régions possède un rôle spécifique, tout en interagissant avec ses voisines lors de la formation du membre. Ainsi, dans la partie terminale du bourgeon, on distingue un repli de cellules à la surface formant la « crête apicale ectodermique» (RER, la calotte apicale). Cette structure distale maintient la prolifération des cellules localisées en dessus, dans la « zone de progrès » (Pz). Une troisième aire, située postérieurement, la « zone d'activité polarisante» (ZPA), est impliquée dans l'établissement de la polarité antéro-postérieure. Après avoir quitté la zone de progrès au cours du bourgeonnement du membre, les cellules perdent leur capacité de croissance et commencent à se différencier. Elles forment des condensations précartilagineuses qui se diversifieront pas la suite, soit par branchements, soit par segmentations, pour donner les éléments squelettiques en suivant l'axe majeur du membre. Une des caractéristiques principales de la formation du membre découle de ce phénomène de croissance apicale : le bras est déterminé et fabriqué le premier, l'avant-bras ensuite, puis la main. Morphogénétiquement parlant, nos mains sont plus jeunes que nos bras.  fig 3 (légèrement modifiée) - Représentation schématique du membre antérieur de poulet en développement à un stade précoce et au stade plus tardif du bourgeon, possédant une crête apicale ectodermique (AER), une zone de progrès (PZ) et une zone d'activité polarisante(ZPA). Au stade précoce commence la sécrétion du facteur FGF-8 par les cellules de l'extoderme sus-jacent (futur AER), qui va activer le gène ssh dans la partie postérieure (ZPA) du bourgeon. Une cascade s'ensuit, entraînant la synthèse de FGF-4 au niveau de l'AER. Les facteurs qui contrôlent la croissance du bourgeon ont été identifiés au cours de ces dernières années. Le facteur de croissance FGF-8 («Fibroblast Growth Factor 8 ») est un des acteurs initiaux. Sécrété par les cellules de la crête apicale, il maintient la prolifération des cellules de la zone de progrès par la synthèse d'autres facteurs de type FGF, et intervient également dans l'induction de la zone polarisante. Celle-ci va synthétiser en retour le produit du gène sonic hedgehog (shh), médiateur de la polarisation antéro-postérieure. D'autres protéines sont synthétisées par les cellules ectodermiques. Ainsi, ENGRAILED-1 et WNT-7a sont impliqués respectivement dans la détermination des faces ventrales ou dorsales des membres. Des interactions entre les cellules des faces dorsale et ventrale résulte alors la synthèse de la protéine R-FRINGE et la formation de la crête apicale. L'ensemble de ces molécules participe à un réseau coordonné de signaux qui définit les trois axes de symétrie du membre. Ainsi, la sécrétion de FGF-4 dans la partie postérieure de la crête apicale, associée à la synthèse de WNT-7a par l'ectoderme dorsal du bourgeon, maintient la production de shh dans la zone polarisante. Cette protéine stimule en retour la production de FGF-4, établissant ainsi une boucle de rétroaction. Cet ensemble de signaux a pour conséquence la stimulation et la maintenance de l'expression des gènes architectes. Les gènes architectes des membres des vertébrés appartiennent à la famille des homéogènes, ou gènes Hox. Ils codent des protéines qui régulent l'activité d'autres gènes. Les gènes Hox sont regroupés en quatre complexes indépendants, situés chacun sur un chromosome particulier. Ces groupes sont certainement apparus lors de duplications d'un complexe ancestral semblable à celui qui existe actuellement chez les céphalocordés, comme le lancelet. Comme conséquence de ces duplications, les gènes, localisés à la même position au sein de complexes différents, présentent d'importantes homologies de séquence : ils définissent treize sous-classes, ou « groupes de paralogies ». De plus, l'activation de ces gènes est réalisée séquentiellement en suivant l'ordre des gènes le long du chromosome, et leur domaine d'expression est de plus en plus restreint. Les gènes des sous-groupes de paralogie 9 à 13 sont exprimés au cours de la morphogenèse des membres. Ainsi, les gènes Hoxa-9 et Hoxd-9 sont exprimés dès l'apparition du bourgeon, alors que les gènes du groupe 13 sont activés plus tardivement dans la partie postérieure, au niveau de la zone de progrès. Les domaines d'expression des gènes Hoxd s'étendent plus antérieurement dans les parties les plus distales, tout en conservant une polarisation antéro-postérieure, contrairement aux aires d'expression des gènes Hoxa. Ces données descriptives sur l'expression des gènes Hox, corrélées à la fonction de leurs homologues ancestraux chez la drosophile laissaient penser qu'ils devaient jouer un rôle primordial dans l'établissement du patron du membre chez les vertébrés. Les manipulations génétiques ont permis d'estimer leur importance réelle dans la morphogenèse du membre et de poser les bases d'une étude fonctionnelle des gènes. Le rôle des gènes Hox des groupes 9 à 13 dans la modélisation du membre a été clairement démontré par cette approche. Des mutations conduisant soit à l'inactivation, soit à la modification d'une fonction HOX donnée ont été produites artificiellement dans trois laboratoires, dont le nôtre, à Genève. En règle générale, ces mutations induisent des modifications du squelette appendiculaire, qui sont réparties suivant une orientation proximo-distale dans les différents segments du membre. Cette répartition dépend de l'étendue du domaine d'expression du gène muté et, par conséquent, de sa position au sein du complexe. Un gène exprimé de manière précoce dans un domaine proximal (comme Hoxd-9) aura une fonction déterminante dans la modélisation du bras, alors qu'un gène exprimé tardivement dans un domaine distal (comme Hoxd-13) aura un rôle majeur dans la formation de la main. De plus, il existe des redondances de fonctions entre gènes d'un même groupe. Ainsi, chez des souris double-mutantes (ayant une double mutation) pour les gènes du groupe 11, Hoxa-11 et Hoxd-11, le radius et le cubitus sont quasiment absents, alors qu'une seule copie sauvage d'un de ces gènes dits paralogues est capable de préserver la formation de l'avant-bras. De même, la double inactivation des gènes du groupe 13 conduit à l'arrêt de là formation de la main alors que, chez les simples mutants de ces deux gènes, la plupart des éléments de la main sont correctement formés. |
D'après fig 4.
Représentation schématique et comparaison des
altérations du squelette de la main, suite à diverses
mutations de gènes homéotiques.
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SUITE Comment se construisent les doigts ? Yann Hérault et Denis Duboule, La Recherche, 305, janvier 1998, 40-44 |
La corrélation entre domaines d'expression et localisation des altérations chez les mutants des gènes Hox est évidente au niveau du bras et de l'avant-bras. Dans ces deux segments du membre, les gènes ont des fonctions sensiblement équivalentes. Cependant, au cours de la morphogenèse de la main, les interactions entre les différents gènes ne sont pas simplement synergiques. En effet, dans cette partie du membre où de nombreux gènes sont exprimés, il existe une hiérarchie fonctionnelle des gènes Hox suivant leur position relative sur le complexe. Ce principe se caractérise par le rôle dominant des gènes du groupe 13 sur la fonction des autres gènes. Ainsi, un simple mutant des gènes des groupes 11 ou 12 aura des mains moins altérées qu'un mutant pour un des gènes du groupe 13. Ces études révèlent la position hiérarchique dominante du gène du groupe 13 dans la modélisation de la structure finale de l'autopode. Elles suggèrent aussi que tous les paralogues de 11 à 13 sont recrutés afin de modéliser la partie terminale du membre, la plus complexe dans son organisation : la main. Il semble bien que les produits des gènes hox interviennent non seulement dans le contrôle des voies de prolifération cellulaire, mais aussi dans celui des voies de condensation et de segmentation. Dans cette perspective, l'action des produits des gènes pourrait conduire une condensation précartilagineuse à se diviser par branchement sous l'effet d'une augmentation locale du nombre de cellules. De même, il pourrait entraîner l'arrêt prématuré d'une condensation par une diminution du nombre de cellules. L'activation progressive des gènes Hox dans des sous-populations cellulaires du membre pourrait engendrer un patron précis de condensation en fonction des masses cellulaires à disposition. « L'identité», d'un segment du membre semble être fixée par des petites variations dans l'équilibre de l'information à l'intérieur du même plan de construction, et par la mise en oeuvre progressive de nouveaux gènes. La genèse d'un membre ne se fait pas à partir d'un système de coordonnées cartésiennes définissant les structures comme des pions sur un échiquier, mais plutôt selon un référentiel dynamique avec trois dimensions spatiales et une temporelle. (Voilà une définition du rôle des homéogènes dans le développement qui est tout-à-fait compréhensible dans l'optique développée dans ce cours) La découverte récente, chez l'homme et la souris, du fait que plusieurs syndromes résultent de mutations de certains gènes Hox, démontre de façon éclatante l'importance de ces gènes pour l'ontogenése d'une digitation normale. Ainsi, une mutation dans le gène Hoxd-13 est liée à un type de synpolydactylie (SPD) chez l'homme. Cette maladie génétique humaine se caractérise notamment par une déformation congénitale de la main et se transmet comme un trait autosomal dominant . Une autre mutation humaine, affectant le gène Hoxa-13 a été décrite dans le syndrome main-pied-génital (MPG). Les individus atteints de ce syndrome à l'état hétérozygote présentent des malformations de la main et du poignet qui ressemblent au phénotype des souris portant la mutation hypodactyle (Hd). Cette mutation engendre, par contre, un phénotype beaucoup plus sévère à l'état homozygote: les rares animaux Hd/Hd survivant jusqu'à la naissance ne possèdent en effet qu'un seul doigt. Il a également été démontré que cette mutation affecte le produit du gène Hoxa-13. Dans ces trois mutations naturelles de gènes Hox, les pièces du squelette altérées sont localisées au niveau des zones de fonction des gènes Hoxa-13 et Hoxd-13. En particulier, ces zones sont identiques dans le syndrome MPG et lors de l'inactivation du gène Hoxa-13 chez la souris. Au niveau moléculaire, la mutation du syndrome MPG est une véritable perte de fonction de la protéine HOXA-13, similaire à celle réalisée expérimentalement chez la souris. Par contre, les phénotypes des mutations naturelles SPD et Hd sont beaucoup plus importants que ceux des mutants homozygotes des deux gènes concernés. L'analyse moléculaire a montré qu'il ne s'agit pas dans ces deux cas d'inactivation simple de la fonction des gènes Hox. Néanmoins, il est tout à fait remarquable que le phénotype associé aux extrémités des patients souffrant du syndrome de synpolydactylie ressemble fortement à celui obtenu chez des animaux ayant une triple inactivation des gènes Hoxd-11, Hoxd,-12 et Hoxd-13, réalisée au sein de notre équipe par J. Zakany . Ceci suggère que la synpolydactylie humaine pourrait être causée par l'inactivation simultanée de plusieurs gènes Hox, probablement par la production d'une protéine HOXD-13 rendue dominante négative[un gène est dominant négatif s'il arrive toujours à exercer une partie de sa fonction mais d'une manière incomplète, même quand le gène est hétérozygote, et si cette fonction partielle est incapable d'inhiber la fonction d'autres protéines] par la mutation. La liaison entre une mutation au niveau d'un gène homéotique et un phénotype que ce soit chez la souris ou chez l'homme reste pour moi encore extrêmement floue. Des tas de questions auxquelles je n'ai pas de réponse m'empêchent de comprendre. Par exemple: comment obtient-on des mutants ? (voir les articles suivants) Comment s'assure-t-on des caractères (anatomo-physiologiques) de la mutation portée, de son extension, d'éventuelles autres anomalies ? Peut-on vraiment dire que les individus qui sont appelés ici mutants Hoxa-13 par exemple ne sont "anormaux" que par ce trait génétique et n'ont d'anormal phénotypiquement qu'une malformation de la main ? (une réponse est apportée par l'article suivant pour les souris) Si je comprends assez bien ce que représente un génome d'unicellulaire comme une bactérie ou une levure et qu'une culture puisse comporter des mutants dont on a la maîtrise phénotypique et génotypique, j'avoue ne pas comprendre ce que cela veut dire pour un mammifère composé de milliards de cellules dont on ne" connaît pas" le génotype (connaître non pas au sens de la théorie mais au sens de l'expérimentation), ni vraiment le phénotype (et si ces termes ont un sens pour une cellule isolée). En effet, l'idée que chaque cellule ayant le même génotype puisse exprimer la mutation , étant issue du seule zygote par mitose, ne me satisfait pas vraiment, du fait d'une incontestable modulation cellulaire de cette information génétique par chaque cellule; les gènes homéotiques dans cet article sont bien présentés comme multifonctionnels (les gènes d'une cellule eucaryote ne sont pas si nombreux qu'il puisse y avoir des gènes spécifiques pour la main, d'autres gènes étant activés si c'est une cellule appartenant au pied par exemple... ) et donc ils doivent être mis en œuvre dans d'innombrables autres cellules que celles du membre antérieur.... Donc, ces gènes étant multifonctionnels, s'il n'y a pas d'altération alors que ces gènes sont défiscients, c'est que d'autres gènes ont été activés à leur place, pour un résultat équivalent (?)...Ainsi, une altération a pu être cachée au cours de l'embryogénèse ou au contraire apparaître du fait d'un autre facteur.... Enfin, pour que l'on puisse parler d'homozygotie ou d'hétérozygotie, on fait référence à une hérédité mendélienne, à l'aide de souches pures... et je ne conçois pas cela comme réellement possible pour ce genre de gènes... mais peut-être suis-je trop méfiant (une réponse partielle est fournie aussi dans l'article suivant). N'ayant pas de réponses à ces questions pour l'instant, je vais essayer de présenter d'autres résultats sur la drosophile qui seront peut-être plus documentés. Les phénotypes observés chez l'animal après mutation d'un gène particulier impliqué dans la construction des doigts sont rares chez les humains Dans un tel schéma explicatif, la protéine produite serait non seulement inactive, mais de surcroît empêcherait l'activité des protéines HOX voisines, provoquant ainsi une perte de fonction de plusieurs protéines. Dans ce cas précis, l'analyse des souris mutantes, ainsi que des années de travail sur la régulation de ces gènes, ont permis de proposer une base moléculaire à l'apparition du syndrome génétique humain, démontrant une fois de plus l'utilité de ces modèles animaux. Il est intéressant de constater que les phénotypes observés chez l'animal après mutagenèse d'un gène particulier impliqué dans la construction des doigts, sont rares chez les humains. Ce déficit de mutation naturelle, identique aux pertes de fonctions totales artificiellement produites chez la souris, est certainement dû à la multitude de fonctions dans lesquelles ces gènes sont impliqués au cours de l'embryogenèse. Il n'existe pas de gènes des doigts. Dés lors, les pertes de fonctions des différents gènes Hox ont des effets pléiotropiques [une mutation pléiotropique s'exerce sous plusieurs formes différentes]. Ces gènes étant notamment exprimés dans le tubercule génital et le sinus uro-génital, leur inactivation affecte les capacités de reproduction ou de gestation des animaux mutants. De même, les patients atteints de MPG présentent de graves altérations du système uro-génital. Les gènes Hox contrôlent également la formation du système digestif. Leur dysfonctionnement se traduit alors par l'apparition de pathologies spécifiques comme dans le cas de Hoxd-13. Dans le cas extrême de Hoxa-13, l'effet de la mutation sur la digitation adulte est difficile à estimer car les souris homozygotes meurent in utero pour des raisons encore obscures. Ces effets pléiotropiques ont des conséquences néfastes qui devraient conduire à une sélection négative d'une éventuelle mutation conduisant à une perte de fonction totale. C'est vraisemblablement pour cette raison que les mutations existantes chez les humains ont souvent une origine moléculaire complexe (recombinaison inégale, translocation, mutation de régulation) donnant lieu à des inactivations partielles, ou encore à des gains de fonction. Dans ce domaine, la nature est plus imaginative que l'expérimentateur. Néanmoins, de tels effets sont parfois observés dans les syndromes associés à d'autres gènes impliqués dans la croissance du bourgeon. Ainsi, dans les syndromes dits de Crouzon, d'Apert ou de Jackson-Weiss, les anomalies des membres sont associées à de nombreuses malformations importantes (par exemple de la face ou de la soudure des os de la boîte crânienne). Ces syndromes sont dus à des mutations des récepteurs qui médient l'action des facteurs de type FGF, par exemple FGF-4 ou FGF-8. De même, la voie de signalisation stimulée par le gène shh est modifiée dans le syndrome de Smith-Lemli-Opitz, qui se caractérise par des modifications importantes du squelette appendiculaire, du crâne et d'autres organes internes. Les inactivations, réalisées chez la souris, des autres molécules impliquées dans la croissance du bourgeon des membres (FGF-4, WNT-7a, En-1, un des récepteurs au FGF ou au shh) ont montré qu'elles sont nécessaires au développement d'un embryon viable. Les formes naturelles des mutants de ces gènes sont donc là encore, comme dans le cas des mutations spontanées des gènes Hox, des mutations plus complexes que de simples pertes de fonctions, mutations dont les effets sur la digitation ne sont pas clairement établis. Ce problème, lié à la multifonctionnalité des gènes Hox, n'est pas restreint à cette famille de gènes, et semble bien être une des clés nécessaires à notre compréhension de la genèse des formes biologiques. En effet, il est maintenant bien établi que les contrôles du développement n'ont que très peu de spécificité spatiale. Par exemple, un gène de l'index n'existe pas, de même qu'un gène de la main. Les gènes impliqués dans la formation de l'index et de la main sont tous utilisés dans d'autres contextes, au détour d'une autre structure. Ceci est dû à la mécanique même de l'évolution, basée avant tout sur la réutilisation et le redéploiement de structures et de fonctions préexistantes. Ce bricolage de l'évolution, selon le mot de François Jacob, entraîne nécessairement une interdépendance génétique entre toutes nos fonctions, ce qui rend leurs modifications toujours plus compliquées. Le gène shh, par exemple, recruté à maintes reprises dans différents systèmes, semble non seulement être indispensable au développement de la main, mais également à celui du système nerveux central, de l'intestin, etc. La modification de son expression dans la genèse de la main serait certainement source de variations morphologiques intéressantes, mais l'éventail de ces variations est restreint par les fonctions de ce gène, un changement à haute valeur adaptative dans la main pouvant se traduire par une perturbation mortelle dans le cerveau. Cette approche théorique n'est pas facilement intégrable dans une vue strictement néodarwinienne de l'évolution Ceci amène à la notion de contraintes internes au système et oblige à penser différemment le problème du déterminisme de la forme biologique. En effet, la multi, fonctionnalité des gènes restreint sévèrement la capacité d'une structure isolée à évoluer en dehors du contexte global auquel elle appartient. Dès lors, la forme de la main n'est peut-être pas en soi un facteur de sélection critique, et il est évident que la pentadactylie n'est pas une formule magique. Au contraire, il est probable que cette formule pentadactyle soit fixée par des critères génétiques qui ne sont pas directement impliqués dans la structure de la main( et pourquoi pas des critères spatio-temprorels dus à la progression autonome... ?). Ainsi, nos cinq doigts sont-ils peut-être la conséquence de la nécessité impérative d'une organisation précise de l'appareil uro-génital, de notre tube digestif ou de notre colonne vertébrale, puisque les mêmes gènes officient dans toutes ces structures (pourquoi une nécessité et pourquoi pas une conséquence ?). Il est donc vraisemblablement vain de disserter sur la valeur adaptative de la pentadactylie. Cette caractéristique, très répandue chez les tétrapodes, n'est peut-être que le sous-produit d'un plan d'organisation global qui n'a que faire du nombre de doigts. Cette approche théorique, qui s'appuie sur les résultats de la génétique du développement de ces dernières années, n'est pas facilement intégrable dans une vue strictement néodarvinienne de l'évolution. En effet, cette dernière voudrait que le tout soit l'ensemble de parties relativement indépendantes, ayant des potentiels évolutifs propres liés à des valeurs adaptatives locales. Alors que cette vue gradualiste semble être la règle chez les organismes peu complexes, tels que les bactéries, il est probable que le problème se pose en termes différents chez les eucaryotes supérieurs : la marge de manoeuvre évolutive de telles parties (par exemple la main) est alors conditionnée par leur appartenance au tout. Ceci amène à repenser le poids respectif des notions de variation et de sélection. Bien qu'il ne soit évidemment pas question de remettre en cause ces deux aspects fondamentaux de la théorie de l'évolution, et donc de son côté aléatoire et non déterminé, il est vraisemblable que la quantité de variations possibles n'est pas illimitée et que l'interdépendance génétique des systèmes ne permet à l'organisme de ne produire qu'un nombre restreint d'innovations morphologiques.(On ne peut pas ici se dispenser de citer d'autres théories évolutives qui sont basées non pas sur un déterminisme aveugle, appelé hasard par le néodarwinisme, mais sur un déterminisme biologique, qui prend appui sur le résultat actuel sans cesse renouvelé au cours du développement embryonnaire et que l'on qualifie de développement orienté). Les mêmes gènes qui nous apprennent comment la main se développe nous révèlent donc également l'origine phylogénétique de nos doigts et nous renseignent sur l'étiologie et la pathogenèse de syndromes génétiques humains affectant la digitation. Ceci démontre bien que la biologie du développement, la génétique moléculaire, l'évolution et la génétique médicale ne sont que des aspects différents d'une même thématique générale, et que seule une approche globale faisant appel à toutes ces disciplines nous conduira vers une compréhension satisfaisante de ces phénomènes. En ce qui concerne nos doigts, une approche combinée similaire d'autres syndromes humains impliquant d'autres « gènes des doigts » permettra sans doute, dans un avenir proche, de poser les bases d'une vraie génétique moléculaire de la digitation.» (C'est comme cela que je rêve de travailler mais je me laisse parfois entraîner à critiquer plus qu'à construire, ce que je regrette: la génétique du développement devrait pouvoir s'intégrer à une vision biologique et vitaliste mais c'est un vaste chantier. A ce propos, si je partage l'optimisme de Michel Morange (L'importance croissante de la biologie cellulaire, Pour la Science Dossier Les sociétés cellulaires, Hors Sértie Avril 1998, p 4-5), je crois cependant que le réductionnisme mécaniciste liée au développement de la biologie moléculaire est encore tout à fait dominant, pour ce que je peux en voir en tant qu'enseignant du secondaire). |
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La génétique du développement de la mouche, Pierre Spierer et Michel Goldschmidt-Clermont, La Recherche, 165, avril 1985, p 452-461 Un article très clair qui permet de retrouver tous les postulats, souvent cachés aujourd'hui: |
« La question que se posent maintenant les
embryologistes est de comprendre la nature de ce programme
[de développement] : où est-il
enregistré et comment ?» |
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Le remplacement des gènes, Mario Capecchi, Pour la Science, 199, mai 1994 Les généticiens créent des souris dont ils modifient les gènes. L'étude des organismes ainsi modifiés bouleverse la biologie animale. |
Voici quelques réponses à partir de l'article cité: Si l'obtention d'organismes mutés par
exposition à des substances mutagènes qui
endommagent l'ADN est relativement facile pour des
unicellulaires, des problèmes insurmontables
apparaissent avec les animaux: Bref, les mutants de souris présentés, par exemple pour les gènes Hox, sont des mutants dirigés c'est-à-dire obtenus par mutation dirigée, qui est en fait une technique de transgénèse. La technique extrêmement sophistiquée (... coûteuse) et longue (6 ans d'effort d'une équipe de chercheurs pour obtenir des résultats probants) consiste à insérer un gène dans une cellule souche (ce qui est un exploit technique: une cellule sur un million environ incorpore le gène au bon endroit) qui est insérée à son tour dans un embryon au stade blastocyste et qui intégre parfois (le taux d'échec est ici aussi très important) cette cellule à son développement (il faut pour cela disposer de marqueurs, habituellement ce sont des gènes affectant la couleur du pelage comme le gène agouti (pelage de couleur brune) qui sont ajoutés) et donne ainsi des individus chimères dont certains possèdent des gamètes transgéniques pouvant être à l'origine d'individus transgéniques possèdant un ou deux exemplaires du gène inséré (là encore une sélection est indispensable). (voir figure ci-dessous) Dans le cas du gène Hoxa 3 par exemple, les
souris obtenus par cette technique (croisement de deux
souches hétérozygotes pour le gène
Hoxa3 qui survivent sans déformation) meurent
à la naissance principalement à cause de la
malformation de leur appareil cardiovasculaire. Des coupes
histologiques de l'embryon permettent de déceler de
nombreuses anomalies au niveau du thymus, des glandes
thyroïde et parathyroïdes, les os et cartilages de
la région inférieure de la tête ainsi
que des tissus conjonctifs, muscles et cartilages de la
gorge. Ces anomalies sont apparemment localisées
dans une bande correspondant à la base de la
tête, au cou et à la première partie du
thorax de l'embryon (voir dessins et photos dans
l'article).(une question naïve: ?
a-t-on réellement recherché
d'éventuelles anomalies dans des coupes
sériées de tout l'embryon ? question qui en
appelle une autre: une présence d'anomalie est-elle
pas la preuve d'absence de régulation plutôt
que celle d'un dysfonctionnement ? la région
où se développe les anomalies dépendant
alors de la progression autonome et non d'une information de
position) |
D'après Pour la Science, 199, mai 1994,
p 58-59 et 60-61, très modifié
Comment obtenir des mutants dirigés chez la souris ?
Une transgenèse très longue, complexe,
coûteuse et aléatoire.
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De la mouche à l'homme, un même supergène pour l'œil, W. J. Gehring, La Recherche, octobre 1995, 280, pp 58-64 |
Cet article a été pris comme point de référence par de nombreux collègues enseignants et un "résumé" non critique en a été fait sur le site de l'inrp: http:///www.inrp.fr/Acces/biotic/develop/controle/html/histgen.htm avec d'ailleurs une erreur de référence de l'article (octobre 1995 et non février 1995). Je souhaite en faire un commentaire critique. (p 58) «l'œil possède un plan génétique de construction identique chez les insectes et les mammifères, bien que l'œil composé des insectes soit bâti de façon totalement différente de l'œil mammalien.» Cette phrase peut aisément être retournée: étant donné que l'œil composé des insectes est bâti de façon totalement différente de l'œil mammalien (on pourrait dire des vertébrés) et comme il met en jeu des mécanismes génétiques identiques chez les insectes et les mammifères, cela tend à prouver que l'œil ne possède pas de plan génétique de construction. La présence de gènes identiques ou similaires, ainsi que l'ordre de leur expression et les mécanismes de leur contrôle par des molécules voisines sont au contraire un argument contre la notion de programme de développement. Les similitudes moléculaires et physiologiques, étant donné le résultat final si différent, embryologiquement, histologiquement, anatomiquement tendent plutôt à situer l'origine de la différence et donc la causalité du développement autre part que dans les mécanismes invoqués. Si deux gènes similaires, activés à des moments différents chez deux individus appartenant à des groupes très éloignés donnent des structures très diverses, c'est donc qu'ils ne portent en eux que peu de spécificité. Cette remarque a été faite pour de nombreux gènes de développement (voir ci-dessous), notamment des gènes homéotiques, qui sont activés pour donner des structures très différentes. (encadré p 63) «Certains gènes régulateurs [dont les produits contrôlent la transcription], les gènes maîtres (ou gènes de contrôle) sont situés au sommet d'un édifice génétique d'où ils régulent un ensemble de gènes secondaires qui, eux-mêmes, influencent l'activité d'autres gènes cibles, d'un niveau inférieur dans la hiérarchie. De cet édifice naissent des signaux chimiques qui sont transmis du noyau cellulaire au cytoplasme et de cellule à cellule. Finalement des gènes de structurs activés par ces signaux s'expriment et codent des blocs de construction, c'est-à-dire des protéines à partir desquelles les structures et organes de l'organisme sont mis en place.» Cette vue d'une hiérarchisation de l'information génétique ne reste pour l'instant qu'un rêve... de généticien: il est prouvé que l'information génétique va bien de l'ADN aux ARN puis aux protéines mais peut aussi aller des ARN à l'ADN. Par contre l'information cytoplasmique ou extracellulaire peut modifier l'information génétique (sous forme de protéine qui reste semble-t-il le passage obligé pour modifier l'expression génétique, même pour des hormones comme les hormones stéroïdes qui se fixent sur des récepteurs protéiques qui agissent comme facteurs de transcription). Présenter l'information du vivant comme gouvernée par des gènes fonctionnellement emboîtés est en fait réducteur et il me semble préférable de dire que l'information génétique est un outil au service de la cellule qui la module en fonction de sa mémoire cytoplasmique (son profil métabolique) et des données qu'elle reçoit venant des autres cellules. une réponse de Rosine
Chandebois, professeur à
l'université de Provence, dans un courrier à
La Recherche du mois de mai à la
suite de l'article de W.J. Gehring : La formation des yeux sur les antennes et les pattes
d'une drosophile est un phénomène de
même ordre que celle d'une patte supplémentaire
dans le flanc d'un arnphibien. Les mécanismes de
l'émergence d'un bourgeon de membre sont bien connus.
La détermination de son territoire présomptif
est liée à celle d'un mésenchyme
particulier, issu des lames latérales.
L'amplification de la synthèse de
protéoglycans qui a lieu se solde par
l'émergence d'ilots de précartilage à
l'origine des pièces du squelette (Ede et Flint, 3rd
Symp. Froc. Soc. Dev. Biol. 1977). Sa croissance apicale,
qui impose l'agencement particulier des îlots, est
entrenue par la calotte qui se forme à son contact
dans l'épiderme. La poussée d'un membre
supplémentaire a été obtenue
après implantation dans le flanc de l'embryon,
à un stade critique du développement, d'une
placode olfactive, d'une vésicule optique ou d'un
bloc de celloidine (Balinsky, 1933). Pour des raisons essentiellement techniques, des recherches analogues n'ont pas été réalisées sur les embryons de drosophile. Rien donc, pour l'instant, ne s'oppose à ce qu'on interprète l'expérience de Gehring comme celle de Balinsky. Un certain nombre d'arguments plaident d'ailleurs en faveur de cette extrapolation. A l'origine de cette homoeose, on trouve une transdifférenciation des téguments en cellules visuelles. Or la transdifférenciation inverse peut être provoquée par divers facteurs non spécifiques. C'est par exemple le cas pour les homœoses qui n'impliquent pas de changements d'identités tissulaires (Hadom in Locke : Major Problems in dev. Biol. N.Y. Acad Press, 1966). Par ailleurs, la répartition inégale des yeux atrophiques évoque bien une transdifférenciation. Ce phénomène n'affecte jamais la totalité d'un morceau de tissu mis en culture ou reconstitué par la descendance d'une cellule unique (Okada et al. Dev. Biol. 45, 1975). Les cellules transdifférenciées se condensent localement et s'organisent parfois de manière frustre (par exemple les corps lentoïdes de la rétine neurale). La composition du milieu ne la provoque pas, elle peut tout au plus la favoriser (Pritchard et al. J. Embryol. exp. Morph. 48, 1978). » |
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Conclusion-résumé: |
retour plan
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Le zygote commence son développement dès la
fécondation mais les premières divisions du
noyau (caryodiérèse) ne sont pas suivies par
des divisions cytoplasmiques, peut-être en raison de
la charge très importante en vitellus et de la
position centrale du premier noyau. Si l'on désire
comparer avec le développement des
vertébrés comme celui de la grenouille, les
premières phases finissent par aboutir à une
segmentation de l'embryon en cellules disposées
à la périphérie d'une masse
cytoplasmique riche en vitellus et surmonté à
un pôle par des cellule germinales. On parle alors de
segmentation superficielle. La "cellularisation" de
la masse cytoplasmique commence au stade 256 noyaux (28
) par les cellules germinales et se termine avec
environ 6.000 noyaux. Les cellules externes forment le
blastoderme et les cellules internes, beaucoup moins
nombreuses, les vitellophages, chargées de
"digérer" le vitellus. Tout le développement
embryonnaire se fait à l'intérieur des
enveloppes (chorion, séreuse) et il est à
noter que l'on ne peut pas rompre ces
enveloppes sans stopper définitivement le
développement (ce qui n'empêche
cependant pas quelques opérations de microchirurgie,
voir plus bas, mais qui constitue un handicap majeur pour
une étude d'embryologie expérimentale
classique comme pour les oursins ou les amphibiens). On
parle cependant de stade blastula. La gastrulation
est assez atypique: il se forme d'abord, sur la face
ventrale , une bandelette germinative (ou
embryonnaire) qui représente la première
ébauche de l'embryon. Cette bandelette va se creuser
d'un sillon médian longitudinal, le sillon
gastrulaire, qui se referme ensuite et forme un tube
individualisant un endomésoderme. Dans le même
temps, les bords du blastoderme se soulèvent autour
de l'embryon et forment des replis qui vont se rejoindre,
formant une cavité amniotique, milieu liquide dans
lequel «baignera» l'embryon (c'est un
caractère que l'on rattache souvent à un
développement protégé en milieu
aérien). Dans l'ectoderme de l'embryon, des
neuroblastes vont apparaître et former deux cordons
nerveux longitudinaux à l'origine de la chaîne
nerveuse ventrale. L'endoderme se différencie pour
former l'intestin. Le mésoderme se développe
avec l'apparition d'une métamérisation
et la formation de somites qui fusionneront pour former
l'hémocèle. La métamérie
est la propriété des animaux
triblastiques (formés de trois feuillets
embryonnaires) coelomates (dont le mésoderme,
feuillet intermédiaire se creuse de cavités
cœlomiques formant un cœlome) et
composée de segments embryonnaires anatomiquement et
physiologiquement répétés
(métamères). Cette
métamérisation est progressive: elle
apparaît soit au niveau de la tête et
s'étend vers l'abdomen, soit au niveau du segment
prothoracique et se propage dans les deux sens. Des
appendices métamérisés se forment, mais
ils ne persisteront que sur une partie des
métamères. La métamérie
embryonnaire ne subsiste que très partiellement chez
la larve et encore plus partiellement chez l'imago. |
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Comme pour l'embryon d'amphibien il a été établie une carte des territoire présomptifs de l'embryon de drosophile au stade blastoderme. Mais cette carte n'a pas la même valeur dans les deux cas: pour la drosophile elle n'est pas soutenue par des expériences d'embryologie expérimentale CAR je repète encore que L'ON NE PEUT PAS OUVRIR L'ENVELOPPE SANS TUER L'EMBRYON. La valeur des territoires présomptifs n'est que l'indication que, si l'on suit le devenir des populations sans perturber le développement, les populations du blastoderme se retrouvent à telle ou telle position, toujours identique dans la larve. Mais il n'y a pas de DETERMINATION. On ne suit que la progression normale du développement, comme on peut le faire à l'aide de marques colorées sur une blastula puis une gastrula d'amphibien. a - Les gènes de polarité de l'œufSur cette carte des populations cellulaires(en fait des
progressions autonomes) on superpose une carte des anomalies
de développement engendrées par des mutations
de gènes qui ont été nommés:
gènes de polarité de l'œuf. Ces
gènes sont appellés des gènes
à effet maternel car ce sont des gènes de
l'ovocyte (seuls "activés" dans le zygote par
l'intermédiaire de leurs produits: les ARNm maternels
; les gènes paternels n'étant activés
qu'au stade mi-blastula (?) ... voir plus haut dans cette
page). Pour obtenir un embryon anormal c'est donc une
femelle homozygote mutée qu'il faut obtenir, le
génotype du spermatozoïde n'intervenant pas ici.
Ces gènes ont été identifiés
lors d'une recherche exhaustive des mutants dans lesquels la
polarité de l'embryon est perturbée (travaux
de C. Nüsslein-Volhard, 1986, 1992). On les classe en
un groupe de 12 gènes de polarité
dorso-ventrale (dont le phénotype mutant provoque
une absence de structures ventrales), 4 gènes de
polarité antérieure (par exemple
bicoïd), 11 gènes de polarité
postérieure (par exemple nanos) et 6
gènes du groupe dit "des
extrêmités"(par exemple torso). Les
produits de ces gènes ont été
activement étudiés. Les protéines de
régulation peuvent être
découpées, généralement en
régions fonctionnelles appelées domaines. Un
de ces domaines a la propriété de se lier
à l'ADN dans les régions de contrôle de
l'activité des gènes cibles. Plusieurs
structures tridimensionnelles de domaines de liaison ont
été mises en évidence. Celles-ci se
retrouvent dans de nombreux gènes impliqués
dans le développement embryonnaire de nombreuses
espèces. Un de ces domaines s'appelle
l'homéodomaine, car il a d'abord
été décelé dans les
protéines codées par les gènes
homéotiques. La chaîne d'acides aminés
de l'homéodomaine comporte quatre hélices,
dont une assure la reconnaissance de l'ADN cible. La
protéine du gène bicoïd contient un
tel homéodomaine. La protéine dorsal
contient un autre type de domaine de liaison à l'ADN.
Il est lui-même présent dans plusieurs
protéines de régulation connues chez les
vertébrés. Certains de ces gènes,
normalement employés lors du développement
embryonnaire, sont d'ailleurs incriminés dans la
génération de tumeurs après mutation ou
réexpression anormale chez l'adulte. Les ARNm dorsal
(détectés par hybridation in situ) et la
protéine pour laquelle ils codent
(détectée par des anticorps) sont
répartis de façon homogène dans le
cytoplasme du zygote. Mais au stade blastoderme, au
début des caryodièrèses, la
protéine se concentre dans les noyaux ventraux du
blastoderme. On suppose alors qu'elle inactive ou active
selon sa concentration les gènes nucléaires
à effet maternel des cellules du blastoderme codant
pour les autres protéines impliqués dans la
polarité dorso-ventrale comme la protéine DPP
par exemple (codée par le gène dpp
décapentaplégique) dont la concentration
présente un gradient dorso-ventral inverse à
celui de la protéine codée par le gène
dorsal. Une technique de microchirurgie (H.G. Frohnhöfer, R. Lehman et C. Nüsslein-Volhard, 1986) permet d'extraire une partie du cytoplasme antérieure du zygote, par rupture très localisée de l'enveloppe, puis d'injecter par une micropipette un peut de cytoplasme postérieur venant d'un zygote donneur par cet orifice. On obtient le lendemain, si l'embryon se développe, une larve dite "double postérieure" qui présente une absence de tête. Mais je ne connais pas l'anatomie de cette larve et elle n'est probablement pas viable. Les généticiens du développement interprètent cette malformation provoquée par la présence de morphogènes spécifiques dans les extrêmités du zygote.  Expérience de microchirurgie sur le zygote de drosophile (d'après Biologie moléculaire de la cellule, 21-58) Voir aussi la fig 6 p 47 dans l'article : De l'œuf à l'embryon, Christiane Nüsslein-Volhard, Pour la Science, Dossier "Les sociétés cellulaires", Hors Série, avril 1998 où l'on obtient un résultat symétrique avec injection d'ARNm bicoïd dans la partie postérieure du zygote. Dans le cadre de leur hypothèse, ils ont
réalisé cette même expérience sur
des zygotes possédant la mutation bicoïd
c'est-à-dire qui conduisent normalement à
des larves sans tête et sans structures thoraciques
mais dont les structures abdominales se développent
normalement. Si l'on injecte le cytoplasme de
l'extrêmité antérieure d'un zygote non
muté à l'extrêmité
antérieure du zygote issu d'une mère
homozygote bicoïd -/-, l'embryon obtenu semble
complet. Cela met sans aucun doute en évidence le
rôle essentiel des déterminants maternels
de type ARNm dans le cytoplasme du zygote (voir plus
haut, pour les amphibiens).  Gradient d'expression du gène bicoïd (à effet maternel) dans le zygote de drosophile (pour zéro, une et quatre copies du gène) visualisé grâce à un marquage radio-immunologique (anticorps marqués radioactivement dirigés vers la protèine Bicoïd) et larve résultant du développement (d'après Biologie moléculaire de la cellule, fig 21-59 et 21-53, très modifiées). Remarque: b - des gènes de segmentation
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Ces expériences atteignent un niveau de
difficulté d'analyse très
élevé: |
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Un déterminisme de la somitogénèse sous le contrôle de la progression autonome et de la compétence des tissus (d'après RC, p 31) |
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La segmentation du mésoderme paraxial en somites est la conséquence d'un réagencement des cellules en "rosettes", passé un seuil critique de leur progression autonome. La progression de la somitogénèse se fait sous le contrôle d'inducteurs et se propage depuis l'avant de l'embryon vers l'arrière (gradient d'induction). La compétence des cellules mésodermiques à former des rosettes disparaît ensuite et si l'induction de la somitogénèse intervient trop tard, les rosettes ne se forment pas. Par exemple, lors d'un choc thermique affectant quelques massifs cellulaires avant leur induction, les membranes cellulaires sont réversiblement altérées et si l'induction arrive avant que les cellules n'aient récupéré leur intégralité cytologique, elles sont incompétentes et elles ne formeront plus de somites, même si la somitogenèse se poursuit normalement dans les zones non lésées. La longueur de chaque métamère dépendrait de la concentration en inducteur, de sa diffusion, de la réponse des cellules... et ne serait bien sûr pas déterminée de façon absolue. Sa spécificité pour une espèce donnée dépendant des caractéristiques des feuillets embryonnaires mis en place (taille des cellules, nombre de cellules, types de jonctions....).  (D'après Rosine Chandebois, Comment les cellules construisent l'animal, Phénix éditions, 1999, p 31) |
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Le dernier groupe de gènes de segmentation est
constitué par les gènes sélecteurs
homéotiques qui déterminent les
caractères des segments antérieurs de la
mouche. Ces gènes sélecteurs ont pris une
importance extraordinaire depuis que des gènes
homologues (similitude de séquence proche de 90%,
homologie de fonction supposée à partir de
conséquences comparables lors de mutations;..) ont
été trouvés chez deux
vertébrés mammifères: la souris et
l'homme. Remarque: |
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Je renvoie à la page d'histoire de la génétique pour un encadré sur le génome de la drosophile et les notions de carte factorielle et de carte cytologique. Le complexe homéotique HOM s'étend sur environ 650.000 paires de bases (séquences codantes et séquences régulatrices, notamment les sites de liaison aux produits des gènes de segmentation étudiés plus haut), chiffre qu'il faut comparer avec la distance moyenne entre deux sites qui ne recombinent pas par crossing-over chez la drosophile: 25.000.000 paires de bases (pour une unité de recombinaison) ou au chiffre de 1.000 à 30.000 paires de bases qui est environ l'éventail de taille d'une bande colorée d'un chromosome polytène - la totalité des chromosomes comptent environ 5.000 bandes pour 140.000.000 paires de bases soit 2.800 paires de bases pour une bande moyenne mais leur taille varie dans un rapport de 10 - : il est clair qu'on a changé ici d'ordre de grandeur par rapport à la génétique morganienne. Le complexe bithorax est situé à environ 58,7 centimorgans (unité de recombinaison) de la mutation roughoïd (ru), située elle-même à l'extrémité du chromosome; la mutation sepia (se) étant à 26,0 cmg de cette extrêmité, scarlett (st) à 45,1, ebony (e) à 70,7 et minute (g) à 106,2 cmg. Les techniques d'hybridation in situ et de transgenèse autorisent les généticiens du développement à travailler sur des fragements de chromosomes de plus en plus petits. |
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On notera que la disposition linéaire des
gènes du complexe HOM respecte assez bien une
orientation antéro-postérieure, comme si
l'ordre d'expression de ces gènes était aussi
celui de leur agencement le long du chromosome. On pourrait
y voir un moyen commode pour répondre à une
activation qui se ferait par propagation d'un système
d'expression le long du chromosome. Les gènes mis en évidence par la
génétique du développement, même
si leur rôle est loin d'être aussi simple que
les appelations de gènes architectes ou gènes
de la segmentation pourrait le faire penser, sont des
gènes indispensables aux cascades d'inductions du
développement, notamment aux périodes
critiques pour lesquelles leur déficience provoque de
graves malformations. |
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En conclusion sur le développement
embryonnaire: |
retour plan
Une fois l'organogénèse bien commencée, on
commence à voir émerger les traits d'une organisation
intégrant les différentes populations. Ces
regroupements non plus d'abord anatomiques mais physiologiques
étaient qualifiés d'appareils: appareil
respiratoire, circulatoire, digestif... selon le type de fonction
biologique principalement réalisée pour le compte de
l'organisme animal. Au premier plan les systèmes de
communications qui sont le système nerveux pour le
milieu extérieur et le travail de relation et le
système immunitaire, qui comprend la fonction endocrine
du système nerveux , est lié à l'appareil
circulatoire, sanguin et lymphatique, et qui se charge des relations
internes entre organes.
Cette partie est présentée par Rosine Chandebois en
considérant l'individu comme un système
cybernétique (informatif) téléonomique
(orienté). Sans avoir peur des mots, j'ai du mal à les
accepter. Cependant la téléonomie est sous-jacente
à toute interprétation vitaliste.
Nous continuerons avec l'exemple de la drosophile.
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Le développement post-embryonnaire comprend les 3 stades larvaires de l'asticot et le stade nymphal (pupe) jusqu'à l'imago. Le développement postembryonnaire est donc indirect car il présente une métamorphose, complète (insecte holométabole) car on distingue aisément 3 stades: larves, nymphe et imago, qui différent, morphologiquement, anatomiquement et éthologiquement (milieu de vie et mode de vie). |
La larve vermiforme ou asticot se
développe habituellement dans le vinaigre qui se
forme à partir des fruits attaqués par des
levures (jus sucrés de fruits fermentés en
alcools puis acides) d'où le nom de "mouche du
vinaigre". La métamorphose qui se déroule en
toile de fond des mues (qui sont des changements de
l'enveloppe externe ou tégument de l'animal
(exosquelette) comprenant une cuticule qui, bien que souple
chez les insectes, est relativement inextensible et doit
donc être renouvellée périodiquement)
comprend des mécanismes très complexes
étudiés depuis fort longtemps par les
biologistes (je renvoie à des ouvrages
spécialisés comme Larves et
métamorphoses, Jean-Jacques Bounhiol, puf,
1980).
Le tégument (épiderme recouvert d'une
cuticule) de l'asticot représente 50% de la masse
totale de l'animal et constitue tout à la fois un
revêtement protecteur, un squelette, un organe de
réserve, un organe glandulaire multiple, et participe
grandement aux organes sensoriels et aux appareils
locomoteurs, respiratoires et digestifs. Les pièces
buccales des asticots sont réduites à deux
crochets qui dépassent légérement de
l'avancée de la partie antérieure du corps de
la larve qui recouvre la partie antérieure du tube
digestif qui se trouve ainsi au fond d'une cavité
(atrium) dans laquelle s'ouvre la bouche et
débouchent les glandes salivaires. L'appareil
excréteur, composé de 6 tubes de Malpighi est
caractéristique des arthropodes antennates. Le tissu
adipeux (ou corps adipoïde ou corps gras ou encore
trophome) est un organe de réserve mais aussi
un carrefour métabolique essentiel chez le larve,
mais qui persiste chez l'adulte, de façon moins
importante. Les cellules adipeuses fournissent
l'énergie nécessaire à la construction
des nouveaux tissus lors de la métamorphose (et des
mues) mais ont aussi des fonctions endocrines et
sécrétent par exemple les produits
précurseurs (vitellogénines) des substances de
réserve des ovocytes. Le cœur est un vaisseau
dorsal composé de 5 cavités contractiles
prolongé vers l'avant par une aorte qui amène
le sang au voisinage du cerveau et des glandes endocrines
associées. Le sang de la larve circule de l'avant
vers l'arrière dans la partie ventrale de l'animal et
dans le sens opposé dans la partie dorsale car le
cœur se trouve séparé du reste de la
cavité abdominale par un diaphragme horizontal (non
étanche) et formant ainsi un péricarde. Il n'y
a pas de vaisseaux ramenant le sang dans ce
péricarde. La respiration de la larve est
trachéenne, les trachéoles ramifiées
(non représentées sur le schéma
ci-dessous) amenant l'air au contact des cellules les plus
internes. L'air entre par des stigmates (2 à l'avant
et 2 à l'arrière de l'animal). Le
système nerveux et les organes des sens sont
rudimentaires chez la larve mais on s'est
particulièrement interessé aux glandes
endocrines, souvent associées au système
nerveux en organes neuro-endocrines, du fait de leur
intervention dans le contrôle des mues et de la
métamorphose. L'anneau de Weismann, spécifique
des Diptères supérieurs, enroulé autour
de l'aorte est formé par la réunion des
corpora allata (qui sécrétent notamment
l'hormone juvénile, maintenant l'état
larvaire), des corpora cardiaca et des glandes
prothoraciques (ou péritrachéennes)
latérales. Le cerveau (et plus spécialement
les cellules sécrétrices de la pars
intercerabralis) contrôle les corpora
allata en inhibant ou en stimulant en fonction des
périodes du développement (par des
neurosécrétions) la sécrétion de
l'hormone juvénile qui est l'hormone principale qui
inhibe les ébauches imaginales (on connaît
plusieurs formes (6) pour cette hormone (des
sesquiterpènes apolaires apparentés à
l'isoprène C5) dont la fonction varie selon sa
structure moléculaire, ce qui explique des
rôles antagonistes, et dont les protéines de
transport modulent la destruction enzymatique). Mais les
hormones juvéniles interviennent aussi dans les mues
et dans de nombreuses autres fonctions, par exemple dans la
vitellogénèse. Les nombreuses hormones du mue,
dont la première isolée fût l'ecdysone,
sont des hormones stéroïdes (principalement
l'ecdysone et la 20-hydroxyecdysone) dont les
récepteurs sont de facteurs de transcription qui se
fixent à l'ADN. Les ecdystéroïdes,
nom désignant ces hormones "de mue" sont
sécrétées, sous le contrôle de
neurosécrétions, par les glandes
prothoraciques (parties latérales de l'anneau de
Weismann chez la drosophile) au cours des stades
post-embryonnaires puis par le follicule ovarien à
maturité sexuelle.
Les cellules musculaires, celles des glandes salivaires et
des tubes de Malpighi, tout comme les cellules intestinales
de l'asticot, sont polyploïdes. Les tissus larvaires
polyploïdes sont très nombreux et à la
métamorphose ils sont profondemment modifiés
et ne sont plus polyploïdes chez l'adulte. On
considère que plus un tissu est polyploïde moins
il subsiste lors de la métamorphose. Les tissus
faiblement polyploïdes (jusqu'à 10n) sont
parfois renouvellés par des mitoses anormales dont
les cellules filles diploïdes se développent
seules et renouvellent le tissu.
Les ébauches imaginales (du nom de l'adulte ou
imago) sont formées par des
populations quiescentes chez la larve (petits amas
blanchâtres que l'on peut disséquer au
microscope chez l'asticot... voir schéma ci-dessous)
mais qui se développent rapidement
(histogénèse) et donneront naissance
à des organes cachés chez la nymphe puis, par
simple extension (croissance), formeront les organes
spécifiques de l'adulte: organes liés au
travail de relation du fait du changement de mode de vie
entre la larve et l'imago (yeux composés, pattes,
ailes... mais aussi muscles qui possèdent des
myoblastes imaginopotents) organes liés au travail de
nutrition (remaniements profonds de l'appareil disgestif
...), organes liés au travail de reproduction qui
dans la plupart des cas est propre à l'imago (organes
copulateurs...). Chez l'asticot des Diptères les
populations imaginales sont organisées en
disques, qui sont des invaginations
épidermiques qui peuvent s'enfoncer très
profondément dans le corps de la larve) et en
histoblastes, plus disséminés mais
disposés de façon très précise.
L'organisation en disques n'est pas absolue chez tous les
insectes. Les larves des Coléoptères par
exemple, n'ont pas de disques imaginaux pour les pattes et
les ailes mais certaines populations cellulaires
dispersées de la larve sont déterminées
précocement et peuvent ,par des expériences de
greffe, déterminer l'apparition d'organes
rudimentaires déplacés. Il est à noter
que les expériences d'ablation de disques
imaginaux ou d'histoblastes ou encore de populations
à destinée histogénétique,
conduisent toujours à des déficits
anatomiques: il n'y a pas de régulation ni de
dédifférenciation de tissus voisins.
Cependant, l'ablation chez une larve âgée de
drosophile d'un demi-disque oculaire fournit une mouche
ayant de ce côté un demi-œil.
Lors de la métamorphose, on observe de très
nombreuses histolyses des tissus larvaires (tube
digestif et formations annexes, muscles, trachées,
épiderme, glandes produisant notamment la soie du
cocon de nombreuses nymphes...), notamment par des
mécanismes d'apoptose (voir annexe).
Classiquement on parle aussi de remaniements pour des
modifications affectant des tissus larvaires qui se
transforment en tissus imaginaux sans mourir.
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La métamorphose n'est aussi brusque et nette que chez les insectes dits holométaboles qui comprennent l'ordre des Diptères (mouches, moustiques...) ou encore les Coléoptères, les Lépidoptères ou les Hyménoptères. Plus les insectes sont primitifs et moins leur métamorphose est marquée. Les expériences de microchirugie sur les
larves sont plus facilement couronnées de
succès que les tentatives sur le blastoderme. La technique de recombinaison mitotique induite par les rayons X (brève irradiation focalisée sur des tissus épithéliaux) est une forme de chirurgie génétique qui permet de marquer certaines cellules superficielles. Appliquée à tissus d'un hétérozygote pour des mutations dans les gènes homéotiques, on a pu observer des recombinaisons homologues qui font que les tissus traités aux rayons X présentent parfois des territoires de cellules homozygotes alors que le reste de la larve est hétérozygote. |
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Conclusion intermédiaire |
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Le système individu dans la théorie de Rosine Chandebois |
L'embryon qui pouvait aisément être
regardé comme un ensemble de populations en
interaction dynamique mais relativement
indépendantes, est devenu maintenant une larve qui
est un individu autrement plus complexe et surtout
coordonné. C'est pour cela que j'ai essayé de
détailler un peu la vie de la larve ci-dessus. Pour
rendre compte de ce niveau supérieur d'organisation
les mêmes mécanismes sont sans aucun doute
nécessaires mais sont-ils suffisants ? |
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Conclusion empruntée à Mme Chandebois (RC,
p 67) |
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retour plan
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mutation |
on sélectionne un mutant dans une population et on s'assure qu'il présente une permanence de sa mutation sur un grand nombre de générations. |
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hybridation in situ |
avec sonde à ADN |
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avec sonde à ARN |
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isolement des gènes |
étude des produits |
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transgenèse |
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hybrides de cellules mutantes |
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microchirurgie |
échange de cytoplasme dans l'embryon précoce |
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disques imaginaux |
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recombinaisons génétiques |
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