LA GASTRULATION

LA GASTRULATION
Ce processus transforme un ballon creux de cellules en une structure multi‐couches
avec un tube digestif central et une symétrie bilatérale
La gastrulation transforme la blastula en un embryon à trois feuillets doté d’un
feuillets doté d
un tube digestif primitif
tube digestif primitif
‐ Réorganisation spatiale de l’embryon g
p
y
suite à des modifications cellulaires
• Modifications touchant la motilité des cellules leur
motilité des cellules, leur forme et leur adhérence entre elles et avec les molécules de la matrice extracellulaire
‐ Formation de trois feuillets embryonnaires. Toutes les parties de l’animal adulte proviennent de ces trois feuillets
ces trois feuillets
• Ectoderme: Système nerveux et épiderme
• Endoderme: Tissus de revêtement interne et organes annexes
• Mésoderme: Autres organes (
,
,
et tissus (reins, cœur, derme…)
Dérivés des feuillets embryonnaires
ECTODERME
• Epiderme de la peau et ses dérivés (glandes sudoripares
dérivés (glandes sudoripares, follicules pileux)
•Epithélium de la bouche et de l’intestin
• Récepteurs sensoriels de
• Récepteurs sensoriels de l’épiderme
• Cornée et cristallin
• Système nerveux
• Email des dents
• Email des dents
• Epithélium des glandes pituitaires
MESODERME
• Notochorde
• Système squelettique
• Système squelettique
• Système musculaire
• Couche musculaire de l’estomac, intestin, etc.
• Système excrétoire
• Système excrétoire
• Système circulatoire et lymphatique
• Système reproducteur ( sauf les cellules germinales)
cellules germinales)
• Derme de la peau
ENDODERME
• Epithélium du tractus digestif
• Epithélium du système
• Epithélium du système respiratoire
• Cellules de l’urètre, de la vessie, système reproductif
• Foie
• Foie
• Pancréas
• Thymus
• Glandes thyroïde and parathyroïde
LES DIFFERENTS MOUVEMENTS CELLULAIRES PENDANT LA GASTRULATION
Quel que soit l’organisme considéré, la gastrulation est l’ensemble de certains de ces mouvements.
Gastrulation de l’embryon d’oursin(1)
Légende
Futur ectoderme
Futur mésoderme
Futur mésoderme
Futur endoderme
Pole animal
Blastocœle
Cellules du mésenchyme
Pole végétal
Gastrulation réarrange
ll’embryon
embryon en une gastrula
composée de 3 feuillets
(tripoblaste)
Gastrulation de l’embryon d’oursin (2)
Légende
Futur ectoderme
Futur mésoderme
Futur mésoderme
Futur endoderme
Pole animal
Blastocœle
Cellules de mésenchyme
Pole végétal
Blastocœle
Filopodes
Filopodes tirant l’extrémité de archentéron
Archentéron
Mésenchyme
Blastopore
50 µm
µ
Gastrulation réarrange
l’embryon en une gastrula
composée de 3 feuillets
(tripoblaste)
Gastrulation de l’embryon d’oursin (3)
Légende
Futur ectoderme
Futur mésoderme
Futur mésoderme
Futur endoderme
Pole animal
Blastocœle
Gastrulation réarrange
l’embryon en une gastrula
composée de 3 feuillets
(tripoblaste)
Mésenchyme
Pole végétal
Blastocœle
Filopodes
Filopodes tirant l’extrémité de archentéron
Archentéron
Mésenchyme
Blastopore
Blastocœle
50 µm
µ
Archentéron (intestin primitif)
Ectoderme
Mésenchyme:
( é d
(mésoderme qui forme le futur squelette)
Bouche
Blastopore
Tube digestif (endoderme)
b di
if ( d d
)
Anus (dérivé du blastopore)
GASTRULATION DE L’EMBRYON D’OURSIN
Représentation de la blastula multicellulaire pendant les 1eres phases de la gastrulation (A‐
C) Les cellules épithéliales se détachent de leurs
C). Les cellules épithéliales se détachent de leurs voisines et commencent à bouger dans la cavité centrale par un processus appelé ‘ingression” . Les caractéristiques précoces de la 2ème phase de la gastrulation sont représentées dans C E
la gastrulation sont représentées dans C‐E. L’embryon transparent est représenté en sections optiques. GASTRULATION DE L’EMBRYON D’OURSIN
S urchin
Sea
hi gastrulation movie9.1 mp4
t l ti
i 91
4
Ce film montre la gastrulation. IL commence avec l’aplatissement du pole végétal 1er signe d
pole végétal, 1
signe d’invagination
invagination, suivi de l’entrée des cellules dans la cavité centrale. L’invagination primaire se poursuit et de plus en plus de cellules du PV s’invaginent
cellules du PV s
invaginent. La plupart La plupart
des mouvements initiaux sont dus aux changements de forme des cellules, puis il se passe la convergence‐
extension qui permet l’expansion
extension qui permet l
expansion de de
l’archentéron.
http://www.lifescied.org/cgi/content/full/4/4/273
GASTRULATION DES VERTEBRES
• La gastrulation des vertébrés nécessite DIFFERENTS types de mouvements tissulaires.
• Chez les amphibiens, les oiseaux, les poissons, la gastrulation est plus complexe que chez l’oursin et nécessite des procédés d’ involution épibolie convergence extension et délamination
involution, épibolie, convergence‐extension et délamination…. IMPORTANT: tous ces processus MORPHOGENETIQUES se IMPORTANT:
tous ces processus MORPHOGENETIQUES se
déroulent pendant tout le développement embryonnaire ET sont également utilisés chez l’adulte : ex cicatrisation, renouvellement de la peau.
LE BLASTOPORE
blastomères
Blastopore de Xénope. La différence de taille entre les blastomères animaux et végétaux est vraiment importante (C. Phillips.)
Quelques stades de la gastrulation vus par l'hémisphère végétatif. A, stade « encoche blastoporale ». B, stade « anse de panier ». C, Stade « fer à cheval ». D, « bouchon vitellin » stade jeune. E, stade « bouchon vitellin » âgé. F, stade « bouchon vitellin » final.
Les mouvements de la gastrulation sont initiés dans la région dorsale, progressent dorsolatéralement, puis ventrolatéralement pour enfin se terminer dans la région ventrale. Les mouvements gastruléens se propagent donc dans le sens dorsoventral
MISE EN EVIDENCE DES MOUVEMENTS DE LA GASTRULATION : METHODE DES MARQUES COLOREES
Encoche blastoporale
DEPOT DES
MARQUES COLOREES
Fer à cheval
1 : S’étend de la surface (EPIBOLIE)
2 : Disparait de la surface (INVAGINATION)
3 : S’étendent latéralement (CONVERGENCE‐EXTENSION)
Bouchon vitellin
1 : S
: S’étend
étend de la surface de la surface
(EPIBOLIE)
3 : S’étendent latéralement (CONVERGENCE‐EXTENSION)
3 : Disparait de la surface (INVAGINATION)
Fente blastoporale
1 : S
: S’étend
étend de la surface de la surface
(EPIBOLIE)
N)
3 : Ont disparu de la surface (INVAGINATION)
MISE EN EVIDENCE DES MOUVEMENTS DE LA GASTRULATION : METHODE DES MARQUES COLOREES
Gastrulation de la grenouille
1 Gastrulation commence quand un petit pli, la lèvre dorsale du blastopore, apparait du coté dorsal de la blastula. Ce pli est formé par des cellules qui changent de forme et qui poussent les autres cellules vers l’intérieur (invagination) Des cellules additionnelles passent par la
(invagination) Des cellules additionnelles passent par la lèvre dorsale (involution) et se dirigent vers l’intérieur, où elles vont former l’endoderme et le mésoderme. Pendant ce temps, les cellules du PA, le futur ectoderme, changent de forme et commencent à recouvrir la surface extérieure.
VUE DE SURFACE
VUE
DE SURFACE
Pole animal
Pole végétal
g
SECTION
Blastocœle
Blastocœle
diminuant
2 La lèvre du blastopore s’étend des 2 cotés de l’embryon, en même temps que les cellules s’invaginent
en même temps que les cellules s
invaginent. Quand les Quand les
côtés de la lèvre se rencontrent, le blastopore forme un cercle qui devient de plus en plus petit , pendant que l’ectoderme recouvre la surface. A l’intérieur, l’involution continue, l’endoderme et le mésoderme s’étendent, et l’ h é
l’archentéron
commence à se former; ayant pour à f
conséquence un diminution du blastocœle.
Blastocœle
résiduel
é d l
3 Plus tard pendant la gastrulation, l’archentéron
p
g
,
entouré d’endoderme a complètement remplacé le mésoderme et les 3 feuillets sont en place. Le blastopore circulaire entoure le bouchon vitellin..
Légende
Lèvre dorsale du
blastopore
Lèvre dorsale du
blastopore
Blastula
Archentéron
Ectoderme
Mésoderme
Futur ectoderme
Futur mésoderme
Futur endoderme
Bouchon vitellin
Bouchon vitellin Gastrula
Endoderme
LA GASTRULATION CHEZ LE XENOPE NECESSITE INVOLUTION, MIGRATION CELLULAIRE, DELAMINATION, EPIBOLIE, CONVERGENCE‐EXTENSION
Convergence‐ extension d’une couche cellulaire
Convergence‐extension, un mouvement morphogénétique où les cellules d’une couche cellulaire se réorganisent si bien que les tissus convergent et s’étendent, devenant ainsi plus étroits et plus longs.
La convergence‐ extension permet à l’archentéron de s ’allonger chez l’oursin et la grenouille et est responsable du changement de forme de l’embryon (d’une forme sphérique à une forme avec plusieurs couches).
GASTRULATION CHEZ LES AMPHIBIENS
Ambystoma mexicanum
Gastrulation vue du pole végétal : (enregistrement 18.7 heures, 90 minutes/sec) Vue du pole végétal, la face dorsale est en haut. L’enregistrement montre la formation des cellules en bouteille, l’invagination initiale et l’involution de la zone marginale. Bureau /MPEG4/ Xenopus gastrulation movie 13.9
Video: David Shook
http //www lifescied org/cgi/content/full/4/4/273
http://www.lifescied.org/cgi/content/full/4/4/273
Gastrulation de l’embryon de Xénope.
Au début de la gastrulation, des petites cellules pigmentée de la surface cellulaire s’étendent
pigmentée de la surface cellulaire s
étendent par par
épibolie, elles convergent vers une région prédéterminée de l’embryon et rentrent à l’intérieur par involution. Le point d’entrée est évident , puis cette encoche s’élargit . La gastrulation est complète quand les cellules du vitellus sont entourées d’un anneau de petites cellules pigmentées qui s’invaginent . La gastrulation dure environ 7 heures. L’enregistrement time‐lapse est pris toutes les 19 g
p
p
secondes et dure 15 heures; La vidéo est accélérée 47 fois
GASTRULATION CHEZ LES AMPHIBIENS
Bureau/mov/Wholegas.mov
EXPRESSION DE LA MATRICE EXTRACELLULAIRE PAR LA GASTRULA
Immunofluorescence : AC dirigé contre la fibronectine
MISE EN EVIDENCE DE LA FONCTION DE LA MEC
1
2
Intra-blastocoelar injection of anti-FN mAbs disrupts gastrulation.
‐ AC
+ AC
Marsden M , DeSimone D W Development 2001;128:36353647
RECONNAISSANCE FIBRONECTINE/INTEGRINE
motif GRD
motif GRD
La spécificité de liaison dépend du
La
spécificité de liaison dépend du
domaine extracellulaire des sous‐
unités α.
Les domaines de liaison
extracellulaires identifient le motif
GRD (Arg‐Gly‐Asp) et d'autres
parties de glycoprotéines
parties de glycoprotéines.
Les parties intracellulaires des
intégrines possèdent des domaines de liaison pour des molécules du cytosquelette.
Découverte de « l’organisateur »
Hans Spemann
Hilde Mangold
Prix Nobel de Médecine et de Physiologie, 1935
y
g ,
“ for his discovery of the organizer effect in embryonic development"
L’ expérience de Mangold et Spemann (1924)
La différence de pigmentation entre le DONNEUR
La
différence de pigmentation entre le DONNEUR et et
l’HOTE
HOTE est représentée par des couleurs LES RESULTATS
Conclusion :
‐ la majorité des cellules de la plaque neurale ectopique sont pigmentées
‐ la majorité des cellules de la plaque neurale ectopique dérivent de l’hôte
Au stade neurula
Vue dorsale et ventrale de l’un des embryons ayant subi la greffe : • Présence d’une plaque neurale ectopique identique à la normale . Les cellules du p q
pq
q
donneur sont en jaune. Tête
Queue
Au stade têtard
Vue latérale d’un
Vue latérale d
un embryon ayant subi la greffe. : embryon ayant subi la greffe. :
L’axe de l’hôte est bien développé, le 2eme embryon n’a ni tête ni queue.. On sait que le donneur est un embryon au stade gastrula tardif
LES RESULTATS
Coupe
transversale de
l’embryon
Conclusion :
Conclusion :
la majorité du tube neural ectopique est dérivé de l’hôte
CONCLUSION
1‐LES CELLULES DU GREFFON ONT DIRIGE L’EVOLUTION DES CELLULES DE L’HOTE
DE L’HOTE : C’EST
C
EST LE PHENOMENE DE L
LE PHENOMENE DE L’INDUCTION
INDUCTION
2‐ LE TISSU INDUIT SERAIT LE TISSU NEURAL
3‐ LE TISSU NON INDUIT DEVIENDRAIT DE L’ECTODERME
’
(CHOIX PAR DEFAUT)
(CHOIX PAR DEFAUT)
DE ROBERTIS REVISITE L’EXPERIENCE DE SPEMANN ET MANGOLD
SPEMANN ET MANGOLD
Buveau/AVI/Spemann et Mangold
http://www nature com/nrm/journal/v7/n4/extref/nrm1855‐s1 avi
http://www.nature.com/nrm/journal/v7/n4/extref/nrm1855‐s1.avi
•
•
(de Robertis doing the spemann transplant)
The movie starts with photos of Hans Spemann and Hilde Mangold circa 1924 (Ref. 1). Next, it shows the author at the dissection microscope. Two embryos can be seen, one of which has the dorsal blastopore
be
seen, one of which has the dorsal blastopore lip,
lip, the Spemann's organizer, clearly visible as a crescent. With the help of a tungsten needle and forceps, a the Spemann s organi er, clearly visible as a crescent. With the help of a tungsten needle and forceps, a
square of organizer tissue is excised — the operation is done free‐hand. The organizer is pushed into the ventral side of a recipient gastrula with an eyebrow hair. One hour after transplantation, the graft has, almost miraculously, healed into the host embryo. Two days later, a Siamese twin has developed with two perfect body axes. The Spemann's organizer graft induced complete central nervous systems and mesodermal somites in tissues of the host that would otherwise have become ventral tissue.
LA VERSION MODERNE DE l’EXPERIENCE DE SPEMANN ET MANGOLD
SPEMANN ET MANGOLD
1‐ Rechercher de(s) molécule(s) exprimée(s) par l’organisateur
2‐ Quelles sont les conséquences de l’expression ectopique de ces molécules sur le devenir de l’embryon ??? (= injection d’ARNm)
EXPRESSION DES MOLECULES WNT : AU BON MOMENT ET AU BON ENDROIT ?
AU BON MOMENT ET AU BON ENDROIT ?
FONCTION DES MOLECULES WNT PENDANT LA GASTRULATION
SIGNALISATION WNT
Wnt8
Wnt1
Wnt11
Wnt4
Convergence ‐extension
Les cellules de la lèvre dorsale doivent d’abord devenir compétentes pour être “Organisateur”
La rotation corticale déplace Dishevelled, GBP, Wnt‐11 du côté dorsal de l’embryon
dorsal de l
embryon
L’endroit où L’
d i ù
s’accumule Dsh est défini comme le croissant gris chez g
les embryons de Xénope
La β‐caténine est exprimée dans tout l’embryon puis reste exprimée du côté dorsal grâce à Dsh, GBP et Wnt‐11
Résumé des évènements qui se produisent du côté dorsal
Nodal
Vg‐1
INDUCTION DU MESODERME
QUE PEUT FAIRE “L’ORGANISATEUR” ?
• Initier la gastrulation
Initier la gastrulation
• Devenir de la notochorde et du mésoderme dorsal
• Dorsaliser le mésoderme ventral en mésoderme para‐axial, somites, etc.
• Dorsaliser l’ectoderme en plaque neurale et t b
tube neural
l
Localisation de l’ARNm de chordin
L’organisateur est induit AVANT la gastrulation
Lèvre dorsale du blastopore
Blastopore
Mésoderme dorsal
Continue à organiser les évènements pendant sa propre différenciation
Protéines sécrétées par les centres de signalisation dorsal et ventral de la gastrula de Xénope Gastrulation chez le poulet
p
Epiblaste
Futur
ectoderme
Ligne primitive
Cellules en migration
Endoderme
(mésoderme)
Hypoblaste
VITELLUS
Toutes les cellules qui formeront l’embryon proviennent de l’épiblaste.
 L’hypoblaste est nécessaire au développement normal et semble aider
directement pour la formation de la ligne primitive.
Gastrulation chez le poulet
Développement embryonnaire d
Développement
embryonnaire d’un
un embryon de poulet de la gastrulation jusqu
embryon de poulet de la gastrulation jusqu’àà la neurulation jusqu
la neurulation jusqu’àà la formation la formation
du cœur. Dans cette vidéo les cellules qui forment le cœur sont électroporées avec une protéine fluorescente. Chick development
p
time lapse mpeg4
p
p g
GASTRULATION CHEZ LE POISSON‐ZEBRE
POISSON‐ZEBRE
(ZEBRAFISH)
Danio rerio
• Développement typique des poissons téléostéens ( poisson osseux dont le squelette est complet)
osseux dont le squelette est complet)
• Pourquoi
Pourquoi cet organisme ? cet organisme ?
– Développement rapide
– Très facile d
Très facile d’obtenir
obtenir une grand nombre d
une grand nombre d’embryons
embryons
– Fécondation externe
– Embryons transparents
y
p
– Possibilité de réaliser des cribles génétiques !
• On peut faire des mutants et développer des lignées qui contiennent une mutation bien particulière
CRIBLE GENETIQUE CHEZ LE POISSON ZEBRE
POISSON‐ZEBRE
• Comme pour la Drosophile, les cribles génétiques pour la Drosophile les cribles génétiques
peuvent être utilisés pour trouver des mutations qui affectent le développement embryonnaire
affectent le développement embryonnaire
• Le poisson‐zèbre est le premier organisme vertébré pour lequel un large crible génétique a été réalisé (Christiane Nüsslein‐Volhard, Prix Nobel de Médecine, 1995)
– meilleur compréhension des mécanismes moléculaires du développement des vertébrés.
Autres avantages du poisson‐zèbre
• Il est possible de bloquer la fonction des gènes p
q
g
en utilisant des molécules antisense et RNAi . Ainsi la fonction peut être bloquée dans des
Ainsi la fonction peut être bloquée dans des tissus particuliers ou à des moments particuliers
(bl
(blocage spatio‐temporel)
ti t
l)
• L’embryon est perméable aux petites molécules y
p
p
comme l’alcool et l’acide rétinoïque (dérivé de la vitamine A)
vitamine A)
– On peut déterminer si ces molécules sont tératogènes
– LL’embryon
embryon transparent permet des observations
transparent permet des observations directes
EPIBOLIE !!!!!!!!
gastrulation
Stade Gastrula
•
Après le 10ème clivage ( environ 1000 cellules)
– La couche syncitiale vitelline se forme (= YSL (yolk syncitial layer)
• Les cellules au pôle végétatif du blastodique vont fusionner avec le vont fusionner avec le
vitellus sous‐jacent
• Ces cellules sont importantes pour la gastrulation (microtubules actives!!)
– La couche enveloppante se forme (= EVL
(enveloping layer) )
• Couche la plus externe du blastodisque
• Couche unicellulaire épithéliale
C h
i ll l i é ithéli l
• Couche protectrice pour l’embryon
– En dessous se trouve la couche des cellules profondes (= Deep cells )
profondes (= Deep
• Les cellules profondes forment l’embryon proprement dit
– La
La transition mid‐blastuléene
transition mid‐blastuléene commence commence
(MBT)
Zebrafish movie
Bureau/MPEG4/Zebrafish development video
Convergence‐Extension chez le Poisson‐Zèbre
Extension
Convergence
Migration dorsale lente
Migration dorsale rapide
Aggrégation cellulaire
Inhibition des protrusions
Convergenc
Intercalation
Tada and Heisenberg, 2002
Convergence‐extension de la gastrula de poisson‐zèbre
Notochord
h d
Chordomesoderm
no tail
no tail
Somites
dorsal view
Mésoderme paraxial
snail
‐ Convergence : permet aux cellules de l’épiblaste et de l’hypoblaste du coté dorsal de former le bouclier embryonnaire (= lèvre dorsale du blastopore)
y
(
p )
‐L’intercalation permet l’extension du chordomésoderme vers le pôle animal
‐ L’épiblaste donne naissance à l’ectoderme, tandis que l’hypoblaste donne naissance au mésoderme et à l’endoderme
Les trois feuillets embryonnaires
y
Vue latérale
Pole animal
Peau & systême nerveux
Muscle & coeur
Estomac et foie
P l é ét l
Pole végétal
Vue de dessus
Gastrulation simplifiée
p
Convergence‐Extension
Mutant trilobite (=gène Van Gogh muté)
( g
g
)
Phénotype identique à mutation du facteur de transcription Tbx1
Convergence‐Extension chez les mutants
Betty Boop
Betty Boop
BettyBoopzebraembryo MPEG4
Betty Boop : serine‐threonine kinase Mitogen Activated Protein Kinase Activated Protein Kinase 2, or MAPKAPK2
L’axe Dorso‐Ventral
Vue de coté
ventral
dorsal
ventral
dorsal
Vue de dessus
Vue de dessus
BOUCLIER EMBRYONNAIRE : ORGANISATEUR CHEZ LE POISSON ?
LE POISSON ?
•
Quand
Q
d il estt transplanté
t
l té du
d côté
ôté ventral
t l de
d
l’embryon, il induit la formation d’un 2ème axe
embryonnaire
•
Comme la lèvre dorsale du blastopore, ces
cellules forment la notochorde
•
Le bouclier est l’homologue chez le poisson de
la lèvre dorsale du blastopore= ORGANISATEUR
IMPORTANCE DE LA CONSERVATION ??
Résumé : Gastrulation chez le poisson‐
zèbre
• Les 3 feuillets embryonnaires sont mis en place
– Endoderme: organes internes
– Mésoderme: somites ‐ muscle, os
chordomésoderme ‐ notochorde
mésoderme des lames latérales –membres
– Ectoderme: Système nerveux, peau
• Le plan du corps de l’embryon est établi
– Axes