Aspects cellulaires et moléculaires de la détermination, de la différenciation et de la morphogenèse

Aspects cellulaires et moléculaires de la détermination, de la différenciation et de la morphogenèse

I) Introduction

On parle souvent de cycle vital, et il est représenté de manière générale pour tous les organismes. A partir d'un ovule et d'un spermatozoïde, on obtient un zygote qui va s'engager dans un processus développemental : il va alors générer des milliards de cellules, regroupées dans 100 à 150 types cellulaires différents. Comment les cellules vont-elles se différencier à partir d'une cellule unique ?

La cellule œuf est une cellule totipotente, et au cours du développement, on voit apparaître des différences à partir de cette cellule unique, pour finalement aboutir à des cellules unipotentes : ainsi, un neurone restera un neurone toute sa vie et il sera incapable de faire autre chose. En réalité, le passage de la cellule totipotente à la cellule unipotente nécessite de nombreuses étapes de détermination, puis une seule étape de différenciation, qui mènera à la cellule finale. Les cellules unipotentes n'exprimeront alors plus que 15 à 20% de leur génome, alors qu la cellule œuf peut l'exprimer potentiellement dans sa totalité : finalement, le processus de différenciation revient à une perte de potentialité. L'analyse in vitro de tous les phénomènes de la différenciation sont utiles afin de connaître les bases des mécanismes et les molécules engagées, mais on n'a jamais une vue globale… La détermination se fait par des étapes successives qui empêchent les cellules de revenir en arrière : ces étapes sont donc irréversibles. A chaque étape, la cellule va s'engager dans une voie, dans un état particulier grâce à des facteurs qui la poussent dans cet engagement : c'est le "commitment".

1) Les principales étapes de l'embryogenèse

Le zygote va subir les différentes étapes de la segmentation pour former une masse de cellule, le blastocyste, composé de 60 à 6000 cellules, selon les organismes. De l'œuf au blastocystes, on ne peut observer que de nombreux phénomènes de multiplication cellulaire, mais le blastocyste va ensuite montrer des mouvements cellulaires : c'est la gastrulation. Elle permet le rapprochement de territoires initialement très éloignés les uns des autres, mais aussi la formation des 3 feuillets embryonnaires (ectoderme, endoderme et mésoderme) à partir desquels se formeront tous les organes. C'est pendant la gastrulation que la différenciation cellulaire commence, même si cette différenciation n'est pas encore visible. A la fin de la segmentation, on a eu en fait regroupement de cellules "identiques", et après la gastrulation, les différents territoires ainsi formés vont acquérir des destinées très différentes. Ainsi, le neuroblaste et l'épiblaste sont des territoires initialement semblables, mais elles vont subit une différenciation différente : ces cellules étaient initialement au pôle animal, puis elles se sont différenciées en cellules de l'épiblaste, mais elles suivront ensuite des lignées très différentes selon leur position, puisque les unes donneront des cellules rétiniennes et les autres des cellules de moelle épinière par exemple.

2) L'ovocyte

a) Asymétrie de l'ovocyte L'ovocyte d'amphibien est de grande taille (1 mm) et il est hétérolécithe : dans la partie végétative, on retrouve de grosses plaquettes vitellines, alors que dans le pôle animal, on ne retrouve que de petites plaquettes. De plus, le pôle animal est recouvert par un calotte noire, qui permet de la différencier encore plus. Pendant l'ovogenèse, les ovocytes stockent de nombreuses réserves afin d'être capable d'assurer les nombreuses divisions cellulaires liées au développement, mais aussi de nombreuses molécules informatives permettant la différenciation, appelées facteurs maternels. Tout comme les réserves de vitellus, les molécules informatives se répartissent de manière irrégulière dans l'ovocyte : finalement, l'ovocyte est complètement asymétrique, et la différenciation des cellules va dépendre de la position des cellules par rapport à ces molécules. L'asymétrie de l'ovocyte est important surtout pour les molécules informatives puisque c'est le 1e stade de la différenciation. Pendant la division, on peut obtenir 2 types de cellules filles selon le sens et le type de la division : elle sera symétrique si les 2 cellules filles sont semblables (pôle animal vers pôle végétatif) ou asymétrique si les cellules filles sont différentes (division équatoriale). On devra donc connaître le sens des divisions afin de comprendre l'initiation de la différenciation, et ce sont les facteurs maternels qui vont les contrôler.

Chez les Amphibiens, ce sont les facteurs maternels qui permettent la formation des macromères au nord, et des micromères au sud, alors que chez les Mammifères, l'œuf va donner par de multiples divisions des cellules toutes identiques qui se différencieront par des facteurs externes et par des interactions cellulaires. Chez les Ascidies, le cytoplasme de l'œuf présente lui-même des territoires très différents, et les divisions cellulaires permettent d'isoler ces différents territoires cytoplasmiques très différents les uns des autres : on dit que l'on a une différenciation prédestinée. Ceci dit, entre les Mammifères et les Ascidies, on aura toute une gamme d'organismes dont la différenciation se fera à la fois par des facteurs maternels intrinsèques et par des facteurs externes (et donc par des interactions), en des proportions différentes.

b) Expérience de Millman Millman a pris une morula de Mammifère et il en a séparé puis marqué les blastomères par coloration. On va alors les cultiver in vitro, puis one n choisit une au hasard que l'on place dans une autre morula. Selon la zone où on place la cellule colorée, on la retrouvera dans différentes zones du blastocystes : dans le bouton embryonnaire si on la place à l'intérieur de la morula, dans le trophectoderme (devient

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