Cours UE BCDA – Nadine THEZE

UE Biologie cellulaire et
Développement Animal
Différenciation et Détermination cellulaire :
Acquisition au cours du développement
embryonnaire
:

Objectifs
De l’embryologie expérimentale à la génomique fonctionnelle :
pour la compréhension de la Différenciation et Détermination cellulaire
Quoi? Et Comment? Connaissances et méthodologies
Pourquoi?
compréhension des mécanismes mis en jeu
Quel intérêt ?
Recherche fondamentale (divers domaines )
Compréhension des dysfonctionnements et pathologies
Quelles retombées ?
• Fécondation in vitro
• Réparation des tissus
• Régénération tissulaire
• Pathologies humaines
• Éthique
• Avancées dépendent de l’évolution des technologies

École allemande
EMBRYOLOGIE
Descriptive puis Expérimentale
Mollusques (Roux, Boveri)
Echinodermes (Driesch)
Amphibiens
Historique des disciplines
Concepts
Biologie du développement
École américaine
Drosophile : Morgan (théorie du gène)
transmission des mutation liées au sexe
chaque mutant révèle un défaut génétique spécifique qui
cause un défaut de développement (œil)
Génétique du Développement
Questions identiques mais approches différentes convergence
EVO - DEVO
GENETIQUE
Génétique moléculaire

Qu’est- ce que l’évo-dévo?
« Evolutionary Developmental Biology »
Génétique évolutive du développement
«Le développement retourne à la biologie de l’évolution
Association :
de la génétique du développement
de l’embryologie
de l’anatomie et la paléontologie
Comparaison entre divers modèles de développement :
morphologie, fonction des gènes : compréhension des
mécanismes

Point
d’invagination
lors de la
gastrulation
Correspond à la
Bouche
formée en 1 er
(côté antérieur)
3 feuillets
embryonnaires
Qu’est- ce que l’évo-dévo?
Pluri
cellulaire-tissulaire
chordés
Cavité du corps
= coelome
unicellulaire
Fécondation
interne
5 embranchements
Tube neural
Chorde
Tube digestif
Côté
postérieur
formé en 1er

Modèles Biologiques
1. Embryons facilement accessibles
2. Développement rapide
3. Obtention de nombreux embryons
- en toute saison
- par un élevage commode
4. Embryons permettant un combinaison :
- d’approches génétiques
- d’approches embryologiques
Quel modèle répond à tous les critères?
Quels sont les modèles favoris sensus stricto?

• Invertébrés
– Dentale
– Ascidie
– Oursin
– Drosophile
– Nématode
• Vertébrés
– Amphibiens
– Poulet
– Souris
– Poisson-zèbre
Modèles Biologiques

« Big 4 »
Modèles Biologiques
1. Drosophile
2. Nématode
3. Amphibien xénope
4. Souris
INVERTEBRES
VERTEBRES
5. Poisson zèbre
6. Poulet
« Big 5 »
( amphibiens pleurodèles, poulet, oursin , ascidie, dentale )

gamètes tissus
reproduction
Qu’est - ce le développement?
diversité
cellulaire
organogenèse
adultes
F M
Tétard
fécondation
(fertilization)
segmentation
(cleavage)
gastrulation
ectoderme
mésoderme
endoderme

gamètes tissus
reproduction
Qu’est - ce le développement?
diversité
cellulaire
organogenèse
adultes
F M
Tétard
fécondation
(fertilization)
segmentation
(cleavage)
gastrulation
ectoderme
mésoderme
endoderme

Qu’est - ce le développement?
Mise en place des axes
(polarité embryonnaire)
G
D
A P
V
• Chez vertébrés, le plan d’organisation est conservé:
– Selon axe A/P : mise en place du tube neural, des membres
– Selon axe D/V : mise en place bouche (ventrale)
et Système Nerveux (dorsal) =EPINEURIENS
– Selon axe D/G : Latéralisation
• La place des futurs organes est déterminée
D
Tube neural
Chorde
Somites
D
G D
V

Convergence vers le stade phylotypique
Pharyngula de vertébrés
• Œuf convergence vers stade phylotypique
– Œufs télolécithes (riches en réserves, Devt emb. externe)
– Œufs isolécithes (pauvres en réserves, Devt emb. interne)
(Karl Ernst
Von Baer)
plasticité
Identités au niveau :
morphologie, anatomie,
moléculaire
divergence
Membres
Adaptation vol,
nage, marche

• C’est comprendre
- La mise en place de polarité embryonnaire (axes)
(tête-queue-dos-ventre-symétrie droite/gauche)
- Le devenir des cellules et des territoires
conduisant aux tissues et organes
- Comment les gènes sont activés de façon séquentielle car le
développement embryonnaire est un processus continu et
progressif
• Notion capitale
Le développement
Le programme de développement est activé de façon spatio-temporelle
- à un moment donné du développement
- et dans une cellule ou un territoire donné

Comparaison des Modèles
Développement
Mise en
place des
axes
Emb. Adulte A/P D/V
Mise
En
réserve
Type de
Développement
Drosophile R (10h) R (9j) O O + Ext
Nématode R (10h) R (3j) O F + Ext
Oursin R (40h) L (1an) O F + Ext
Xénope R (15h) L (6mois) O F +++ Ext.
Poisson R (15h) R (12j) G F +++ Ext.
Souris L (10j) R (60j) G F + Int
Poulet L (3j) R (60j) G F +++ Int/Ext
R : Rapide / L : Long / O : Ovogenèse/ G: Gastrulation/ F : Fécondation

Comparaison des Modèles
Développement
Mise en
place des
axes
Emb. Adulte A/P D/V
Mise
En
réserve
Type de
Développement
Drosophile R (10h) R (9j) O O + Ext
Nématode R (10h) R (3j) O F + Ext
Oursin R (40h) L (1an) O F + Ext
Xénope R (15h) L (6mois) O F +++ Ext.
Poisson R (15h) R (12j) G F +++ Ext.
Souris L (10j) R (60j) G F + Int
Poulet L (3j) R (60j) G F +++ Int/Ext
R : Rapide / L : Long / O : Ovogenèse/ G: Gastrulation/ F : Fécondation

Embryon 4 cellules
X
Destruction
(Ablation cellulaire)
Les concepts
embryologie descriptive et expérimentale
Développement normal
Compensation des défauts
Totipotence (équivalence) des cellules
Développement à régulation
Développement anormal
Pas de compensation des défauts
Non équivalence des cellules
Développement mosaïque

• H. Driesch (fin XIXème s.)
Les concepts
Théorie du développement à régulation
• Blastomères d’oursin au stade 2 cellules
• Formation d’un embryon d’aspect normal, mais plus petite

Les concepts
Théorie du développement mosaïque
• W. Roux (fin XIXème s.)
– Théorie du mosaïcisme:
• Blastomères de grenouille au stade 2 cellules
• Formation d’un embryon incomplet
• DEVENIR AUTONOME

Les concepts
Théorie du développement mosaïque
• A. Weismann (fin XIXème s.)
– Théorie de la détermination nucléaire :
• Le noyau contient les déterminants = facteurs nucléaires
• Distribution inégale dans les cellules filles au cours de la segmentation
• Contrôle du devenir de chaque cellule lors divisions =
MOSAÏQUE de déterminants localisés de façon distincte
Destruction de cellules : embryon incomplet
Transplantation de cellules : conformément à son origine

Les concepts
embryologie descriptive et expérimentale
Classification
des Modèles
Développement normal
Compensation des défauts
Totipotence (équivalence) des cellules
Développement à régulation
- L’un ou l’autre en
fonction du Temps
- Les deux à la fois
Développement anormal
Pas de compensation des défauts
Non équivalence des cellules
Développement mosaïque

embryon incomplet :
mosaïsme déterminants (devenir
autonome)
Devenir conforme à l’origine Devenir différent de l’origine
Devenir autonome
déterminant
mosaicisme
Les concepts
Démonstrations
Ablation (Destruction) cellules
embryon complet : régulation
(inductions interactions
cellulaires Devenir conditionné)
Transplantation de cellules (ou d’un ensemble de cellule
dans un autre endroit de l’embryon
Devenir conditionné
La cellule reçoit des signaux
Induction (interactions cellulaires))

embryon incomplet :
mosaïsme déterminants (devenir
autonome)
Devenir conforme à l’origine Devenir différent de l’origine
Devenir autonome
déterminant
mosaicisme
Les concepts
Actuellement
Inactivation facteurs
embryon complet : régulation
(inductions interactions
cellulaires Devenir conditionné)
Surexpression de facteurs
dans un autre endroit de l’embryon
Devenir conditionné
La cellule reçit des signaux
Induction (interactions cellulaires))

Comment mettre en évidence le devenir cellulaire ?
Connaître le lignage cellulaire
Ensemble de la descendance d’une cellule
Cell 1
Cell 2 Cell 3
Cell 4 Cell 5 Cell 6 Cell 7
muscle nerf peau
Traceur cellulaire
Détermination séquentielle

Dextran - fluorescéine
Des exemples
Lignage cellulaire chez xénope
C3 cellules mésodermiques
(stade 32 cellules) (bourgeon caudal)

traceurs
observation fluorescence
Des exemples
Lignage cellulaire chez l ’oursin
ARNm endogène localisé (DIG)
Dextran - Rhodamine Dextran - Biotine
Avidine - peroxydase

ARNm GFP
Green fluorescent protéin
autofluorescente
méduse
Suivi de la fluorescence
dans une cellule vivante
- sans fixation
- à différents temps
Des exemples
Lignage cellulaire chez la souris
Morula
compaction cellulaire

Des exemples
Lignage cellulaire chez xénope
TP
Lac Z : béta- galactosidase

Compréhension du Devenir cellulaire : les déterminants
DIFFERENCIATION
Formation des différents types cellulaires spécialisés à partir de l’oeuf fécondé.
Une cellule est dite différenciée quand elle présente les caractéristiques (forme,
physiologie...) d’une cellule spécialisée.
Ce processus est précédé par une étape dans laquelle les cellules s’engagent (commitment)
dans une ou des voies particulières.
DETERMINATION
Processus par lequel le potentiel de différenciation d’une cellule ou d’un noyau devient
restreint durant le développement.
Plusieurs modes de SPECIFICATION conduisent à la détermination cellulaire.
I. Spécification autonome Molécules déterminantes
II. Spécification conditionnée
III. Spécification syncitiale
Interactions avec les cellules avoisinantes
I. puis II.

Devenir cellulaire : divisions asymétriques et inégales
Introduction
Segmentation

Cellule somatique
: tissus
Cellule
postérieure :
cellule souche
nématode
Devenir cellulaire : divisions asymétriques
Granules P

Détermination des feuillets embryonnaires
Blastula
2 feuillets
Gastrula
3 feuillets

Suivi des cellules des feuillets embryonnaires
ectoderme
mésoderme
endoderme
Introduction
Gastrulation

Notion de compétence
induction
Régulation par compétence
Pas d’induction : pas de signal (ligand)
Pas de
récepteur
Pas de transduction /
pas activation de
gènes

induction
induction
Notion de compétence
Cellules trop éloignées
Pour recevoir me signal
Plus la cellule est proche, plus elle reçoit de signal

Notion de morphogène
• diffuse à partir d’une source localisée
• effet lié à sa concentration
morphogène
Concentration 1
Concentration 2
Tête Thorax

Exemple de morphogène
En amont l’ARN m
Bicoïd est localisé :
déterminant
Gradient
morphogène
Antéro-Postérieur
De la protéine
Bicoïd
De drosophile

Déterminants maternels et facteurs zygotiques
OVOGENESE FECONDATION EMBRYOGENESE
Molécules ♀
Déterminants
Molécules zygotiques
précoce
Mise en place des axes A/P et D/V
Plan d’organisation
Action des Déterminants
tardif
Devenir AUTONOME (déterminants)
Devenir CONDITIONNE (induction)
DETERMINATION cellulaire, Engagement des cellules, des territoires
dans une voie de DIFFERENCIATION donnée