Mise en place du plan d organisation des métazoaires. exemple des vertébrés

Transcription

1 Mise en place du plan d organisation des métazoaires exemple des vertébrés Préparation à l agrégation interne Académie Paris Académie Versailles Paris VI J. Segarra Novembre 2008

2 Von Baer, XIXe

3 Le développement embryonnaire et post-embryonnaire des amphibiens

4 Le plan d organisation des vertébrés

7 Les grandes étapes du développement embryonnaire et post-embryonnaire d un amphibien : le xénope

8 Les grandes étapes du développement embryonnaire et post-embryonnaire d un amphibien : le xénope

9 Quelques définitions Développement : ensemble des processus permettant la mise en place de nouvelles structures. développement embryonnaire : ensemble des étapes qui conduisent de la cellule-œuf à l éclosion mettant en place un plan d organisation. Le développement est histogène et organogène. A distinguer de Croissance : augmentation de taille et/ou de masse irréversible à partir des structures préexistantes.

10 Diversité des modalités de développement Groupe zoologique Devenir du blastopore Segmentation Origine du coelome Protostomiens Annélides Arthropodes Mollusques Bouche Le plus souvent totale et spirale Schizocoelie (annélides, arthropodes) Deutérostomiens Echinodermes Vertébrés Anus Totale ou partielle selon la charge en vitellus et le plus souvent radiaire Entérocoelie (échinodermes) Schizocoelie (amphibiens)

11 Les grandes étapes du développement embryonnaire et post-embryonnaire d un amphibien : le xénope stade ovocyte Fécondation Segmentation Gastrulation Neurulation Organogenèse stade bourgeon caudal Jeune larve Métamorphose Juvénile Mouvements des cellules au niveau embryon : notamment invagination des cellules mésodermiques et endodermiques Structure d invagination : blastopore Recouvrement de l embryon par l ectoderme emboîtement des 3 feuillets Rotation de l embryon sur la face ventrale (symétrie quasi-sphérique) Individualisation de la plaque neurale puis des bourrelets neuraux Invagination et formation du tube neural Allongement de l embryon Formation des somites, ébauche de l œil, des branchies Eclosion Fin de l organogenèse (fonctionnement du cœur, des muscles) Percement de la bouche et début d une vie autonome Apparition des membres postérieurs puis antérieurs Régression de la queue Croissance Acquisition maturité sexuelle caractéristiques Cellule polarisée (pôle animal/végétatif) Coloration visualise polarité Grosse cellule (1 2 mm) enserrée dans une gangue Fécondation externe Pénétration du noyau du spermatozoïde amphimixie Rotation corticale croissant gris Rotation de symétrisation orientation selon gravité Divisions cellulaires dans les différents plans Divisions asymétriques micromères et macromères morula Creusement d une cavité (blastocoele) blastula 1h30 après F! 9 10h après F! 15h après F! 24h après F! 48h 6-7j Durée 44 e jour (14 jours)

12 Ovocyte d amphibien : double gradient gradient de particules ribonucléiques gradient de vitelllus 2 mm

13 Fécondation Avant fécondation Après fécondation

14 Rotation d orientation et rotation corticale

15 Fécondation Avant fécondation Après fécondation Avant fécondation : Orientation quelconque des embryons (repérage par rapport au vitellus, et à la tâche de maturation) Après fécondation : tous les embryons orientés avec hémisphère végétatif «en bas» La tâche de maturation s estompe après la fécondation

16 Les axes AP et DV sont déterminés à la fécondation

17 Segmentation

18 Segmentation 4 blastomères 8 blastomères 16 blastomères 32 blastomères 64 blastomères Morula Morula (PV) Gastrula

19 Cycles cellulaires au cours de la segmentation

20 Segmentation Schéma d'une blastula de xénope (A) d'après des coupes histologiques réalisées dans les hémisphères animal (B) et végétatif (E). Sur les détails (C et D), les limites cellulaires soulignées en rouge mettent en évidence la différence de taille entre les micromères du pôle animal et les macromères du pôle végétatif. Au niveau du pôle animal l'épithélium embryonnaire est tristratifié. HA: Hémisphère Animal, HV: Hémisphère Végétatif.

21 La cohésion cellulaire au sein de la blastula

22 Carte des territoires présomptifs en fin de blastula

23 Gastrulation

24 Gastrulation

25 Gastrulation : analyse par la technique des marques colorées Vogt (1929) Fragments d agar imprégnés de colorants vitaux (rouge neutre, bleu de Nil) mis au contact d une blastula Observation de l évolution des marques

26 Gastrulation : analyse par la technique des marques colorées

27 Gastrulation : analyse par la technique des marques colorées

28 Gastrulation : analyse en MEB

29 Gastrulation : coupe de gastrula (cellules en involution)

30 Gastrulation : formation des cellules en bouteille

31 Gastrulation : analyse des mouvements

32 Gastrulation : la migration des cellules mésodermiques

33 Gastrulation : analyse du mouvement d épibolie

34 Gastrulation : intercalation radiale

35 Gastrulation : bilan Un schéma d'interprétation d'une coupe sagittale dans la région dorsale rend compte des mouvements d'extension. Au cours de la gastrulation, les mouvements de convergence provoquent l'extension (flèches rouges) du mésoderme invaginé (rose) ainsi que du neurectoderme externe (bleu clair). En conséquence, le bord d'enroulement progresse vers le pôle végétatif et recouvre l'endoderme subblastoporal (flèches vertes). (d'après Keller et Jansa, 1992).

36 BN : bourrelet neural PN : plaque neurale RA : région antérieure RT : région troncale NA : neuropore antérieur ME : moelle épinière Ce : cerveau Ch : chorde So : somites Ep : épiderme Neurulation

37 Neurulation : de la plaque neurale au tube neural

38 Neurulation : de la plaque neurale au tube neural

39 Neurulation : importance du cytosquelette

40 Les différents plans de coupe dans l embryon en cours d organogenèse

41 Bourgeon caudal bourgeon caudal jeune bourgeon caudal moyen bourgeon caudal âgé

42 Le devenir des trois feuillets

43 Stade bourgeon caudal Ad: glande adhésive, AM: ébauche de l'arc mandibulaire, Ant: région antérieure, BC: bourgeon caudal, Br: bourgeon branchial, Ca ou C : ébauche cardiaque, CAnt: cerveau antérieur, CM: courbure mésencéphalique puis cerveau moyen CPost: cerveau postérieur, DS: dépression stomodéale, En: endoderme, M: ébauche maxillaire, ME: moëlle épinière, O: ébauche oculaire, OA: organe adhésif Ot: ébauche otique, P: emplacement du pronéphros, Post: région postérieure, Pr: proctodeum. St: dépression stomodéale, VN: voile natatoire, VO: vésicule optique.

44 Stade bourgeon caudal jeune CT antérieure CT postérieure

45 Stade bourgeon caudal jeune CT antérieure CT postérieure

46 Stade bourgeon caudal âgé CT antérieure CT postérieure

47 Stade bourgeon caudal âgé CT antérieure CT postérieure

48 Stade bourgeon caudal : les somites Coupe frontale

49 Stade bourgeon caudal : les somites Embryon de grenouille; stade bourgeon caudal; dissection de la région troncale d'une neurula âgée dont l'ectoderme a été enlevé. Les somites (S) sont bien visibles ainsi que l'ébauche du canal de Wolf.

50 Le développement du système nerveux

53 Le développement du système nerveux : les crêtes neurales

56 Stade bourgeon caudal - Eclosion Stade bourgeon caudal âgé Embryon encore entouré de ses enveloppes Face antérieure d'un bourgeon caudal âgé montrant la courbure mésencéphalique (CM), l'organe adhésif (Ad) et les vésicules optiques (O). Bourgeons caudaux éclos montrant l'œil pigmenté ainsi que le voile natatoire qui apparaît translucide en lumière transmise.

57 Le développement post-embryonnaire : comparaison larve/adulte Milieu de vie Différentes parties du corps (ex de la souris: tête, tronc, queue) Membres chiridiens Mode de locomotion Appareil respiratoire Alimentation Position des yeux, forme du cristallin Têtard Grenouille

58 Morphologie du têtard

59 Corbeilles branchiales Cœur Morphologie du têtard

60 Anatomie du têtard

61 Coupes transversales de têtard (région antérieure corps)

62 Coupes transversales de têtard (extrémité de la région troncale)

63 Coupes transversales de têtard

64 Coupe longitudinale de têtard

65 Morphologie de la grenouille (adulte)

66 Anatomie de la grenouille (adulte)

67 Métamorphose

68 Métamorphose

69 Métamorphose

70 Métamorphose

71 Axe 2 : construction d activités pédagogiques Mise en place du plan d organisation classe de seconde

72 Construction d activités A partir d un choix de documents du dossier (modifiés ou tels quels), proposez, pour une classe de seconde, des activités mettant en évidence le contrôle du développement embryonnaire et formant les élèves à la pratique du raisonnement scientifique. Vous préciserez le questionnement utilisé ainsi que les réponses et production attendues.

73 Document 1 : Patron d expression des gènes Hox B dans l embryon de souris

74 Document 2 : Patron d expression des gènes HoxC6 et HoxC8 chez deux espèces différentes

75 Document 3 : Un animal modèle en biologie du développement, la drosophile

76 Document 4 : La mutation small eye chez la souris

77 Document 5 : La greffe de la lèvre dorsale du blastopore (expérience de Spemann et Mangold)

78 Document 6 : Comparaison des séquences de plusieurs gènes impliqués dans le développement chez plusieurs espèces

79 Document 7 : Expérience de transgenèse avec le gène Pax 6 Le gène Pax6 muté aboutit au phénotype small eye. Chez la drosophile, on estime qu environ 2500 gènes sont nécessaires pour diriger la formation d un œil composé.

80 Objectifs Objectifs cognitifs Le développement embryonnaire est contrôlé par des gènes spécifiques. Certains de ces gènes sont semblables d une espèce à l autre (séquence et fonction). La ressemblance entre ses gènes est un argument pour l origine commune des êtres vivants. Objectifs méthodologiques Formuler des hypothèses et proposer une stratégie pour les éprouver. Exploiter des documents dans le cadre d une démarche explicative. Utiliser un logiciel de comparaison de séquences (ex: Anagène). Réaliser des observations à la loupe binoculaire.

81 Situation initiale et questions posées Acquis Cellule et ADN : éléments communs des êtres vivants Plan d organisation commun des vertébrés Mise en place du plan d organisation au cours du développement embryonnaire avec des étapes stéréotypées (fécondation, segmentation, gastrulation, organogenèse). Eléments amenant au questionnement 1) Programme de développement toujours identique : donc héréditaire? Si hérédité, peut-on trouver des gènes liés au programme de développement? 2) Document 4 : anomalies mises en place au cours du développement (mutation small eye) Proposer doc.4 + photo d embryon de souris normal Comment expliquer cette anomalie? Existence d une mutation dans un ou plusieurs gènes (Elèves familiers avec notion de mutation lors de l étude du message porté par l ADN dans les chapitres précédents).

82 Une proposition d activité Etude du document 4 Q? Quel peut être le rôle de l allèle normal du gène small eye chez la souris? RA! Allèle impliqué dans le développement de l œil. Etude du document 3 Présentation du modèle drosophile : corps en trois parties, 2 paires d ailes, 3 paires de pattes, une paire d antennes Eventuellement activité pratique : observation à la loupe binoculaire. Comparaison photos f et g Observation de mutants à la loupe binoculaire. Q? Quelles différences observez-vous entre les deux individus? RA! Présence/absence d œil Q? Comment pouvez-vous expliquer les différences observées? RA! Gène muté-défectueux impliqué dans la formation de l œil. gène eyeless

83 Une proposition d activité Etude du document 7 Expérience de transgenèse Q? Rappelez la propriété de l ADN qui permet de réaliser une expérience de transgenèse? RA! Universalité des acides nucléiques. Q? Analysez le résultat de l expérience. Quelle(s) hypothèse(s) peut-on envisager pour expliquer un tel résultat? RA! Gène Pax6 de souris est capable d induire la formation d yeux chez la drosophile. Ce gène code un message qui est correctement interprété par l embryon de drosophile au cours du développement. On peut supposer que Pax6 et eyeless sont deux gènes très proches qui codent le même message. Etude du document 6 Comparaison des séquences des gènes impliqués dans la formation de l œil Q? Comparez les séquences des gènes. Calculer le % de ressemblance. En quoi vous permettent-elles d expliquer les résultats d expérience de transgenèse. RA! Gènes aux séquences quasi-identiques (= même message) ce qui permet de comprendre la formation d yeux ectopiques. notion de gènes homologues

84 Bilan Le plan d organisation est mis en place au cours du développement embryonnaire. Ce dernier est sous le contrôle de gènes, parfois qualifiés de gènes «architectes». De nombreux gènes sont partagés par différentes espèces, on parle de gènes homologues. Cette forte ressemblance entre les différents gènes impliqués dans le développement des organismes, parfois très différents, est un argument supplémentaire pour discuter de la parenté entre êtres vivants et de leur origine commune. Pour information L exemple utilisé se fonde sur le gène Pax6 que l on retrouve chez la plupart des animaux. Chez tous, il contrôle la formation de l œil, quelle que soit sa structure (œil composé, œil de type vertébré ). C est un gène sélecteur qui active spécifiquement le programme génétique (les centaines de gènes) spécifique de la construction de l œil).

85 Une autre progression possible mais moins aisée (1) Idée est de poser le problème en étudiant directement deux plans d organisation et non pas un système muté/système normal. Comparaison de deux plans d organisations : poulet/serpent On rappelle que le serpent n est pas étudié comme exemple de plan d organisation de vertébrés étant donné les difficultés qu il peut poser aux élèves. Il est simplement utilisé ici comme «point de départ» de la recherche. Absence de membres chez le serpent / Plans d organisation différents : Comment l expliquer? Quels sont les facteurs qui déterminent le plan d organisation? Hypothèse : comme le plan d organisation est héréditaire existence de gènes? Présentation de gènes qui sont exprimés pendant le développement : gènes Hox Document 1 : montrer le patron d expression différent des gènes Hox (décalage de leur limite antérieure) et donc leur rôle possiblement différent. Ces gènes sont retrouvés chez tous les vertébrés

86 Une autre progression possible mais moins aisée (2) Présentation de l expression des gènes Hox chez le poulet et le serpent Retour au document 2 : la différence d expression permet d expliquer la différence de plan d organisation. Q? Comment vérifier que la modification de l expression de ces gènes peut modifier le plan d organisation? RA! Enlever le gène? Le muter? Présentation d un document de souris KO pour un gène Hox comparé avec une souris normale Doc non disponible dans le dossier On peut alors utiliser une expérience de transgenèse chez la droso (doc 7) : on montre alors que ce gène est capable de modifier le plan d organisation Gènes Hox : gènes architectes, gènes maîtres.