Introduction
Le développement embryonnaire est un processus fascinant qui transforme une simple cellule fécondée en un organisme complexe. Au début de ce parcours, les embryons de différentes espèces présentent des similitudes frappantes, un phénomène qui intrigue les scientifiques depuis des siècles. Bien que les embryons finissent par se développer en espèces distinctes avec des caractéristiques propres, une phase de ressemblance remarquable existe. Cet article explore les comparaisons entre le développement embryonnaire de divers animaux, en mettant en lumière les similitudes, les différences et les mécanismes sous-jacents qui régissent ce processus fondamental.
Similitudes initiales : Un point de départ commun
Au tout début de leur parcours de développement, les embryons de différentes espèces partagent une similitude frappante. Les embryons des différentes espèces commencent leur vie à partir de points de départ différents et, bien sûr, se développent pour devenir des espèces dotées d’organes, de caractéristiques et de tailles qui leur sont propres. Mais à un moment donné, ils présentent étonnamment des formes remarquablement similaires.
Pour un embryologiste, il est un fait d’observation courante que les embryons de différentes espèces, de familles, d’ordres ou de classes zoologiques se ressemblent à certains stades de leur développement. En fait, les métazoaires traversent différentes étapes du développement précoce qui leur sont communes. Dès 1828, l’embryologiste Karl Ernst von Baer, ayant omis d’étiqueter des embryons conservés dans l’alcool, s’avouait incapable de les déterminer. Selon ses propres mots : « Ils pourraient aussi bien être des lézards que des petits oiseaux, ou même des mammifères ». La ressemblance des embryons ne pouvait qu’ajouter à la confusion, malgré la diversité morphologique des reptiles, des oiseaux et des mammifères adultes (voir plus loin). En 1877, Ernst Haeckel note : « En tout, au début, les divers vertébrés sont semblables, puis peu à peu les particularités apparaissent, et les divers groupes, classes, ordres, familles, genres, se distinguent et se hiérarchisent ».
De ses études, von Baer dégagea des généralisations qui devinrent les « lois de von Baer ». Les caractères généraux d’un groupe apparaissent avant les caractères spécialisés. Tous les vertébrés possèdent des organes embryonnaires transitoires tels que le tube nerveux, les somites, le pronéphros. La diversité des caractères spécialisés de plusieurs groupes ou espèces proches dérive de caractères généraux communs à ces groupes ou espèces. Par exemple, le plan de l’ébauche du membre chiridien est commun à tous les embryons de vertébrés tétrapodes. Cependant, l’organogenèse peut en faire des organes aussi différents qu’une nageoire de dauphin, une aile de chauve-souris, un membre marcheur, fouisseur ou préhensile (Figure 2). L’embryon d’une espèce donnée ne ressemble jamais à la forme adulte d’une espèce apparue précédemment dans l’évolution mais plutôt à sa forme embryonnaire. Un embryon de reptile ou de mammifère ne passe jamais par un stade poisson. En revanche, les embryons de reptiles et de mammifères possèdent des caractères en commun avec les embryons de poisson. Par exemple, les arcs viscéraux des reptiles et des mammifères ne ressemblent pas aux arcs branchiaux des poissons mais plutôt aux arcs viscéraux embryonnaires de ces derniers. Pour illustrer la parenté des organismes, nous avons choisi deux stades de la vie embryonnaire communs à tous les vertébrés : le clivage et l’organogenèse (voir plus loin). Les exemples ont été pris chez les poissons chondrostéens (esturgeon) et téléostéens (Ictalurus), les amphibiens anoures (Xenopus) et urodèles (Pleurodeles), les reptiles (caméléon et crocodile), les oiseaux (poulet) et les mammifères (lapin, souris et homme). La période de clivage est commune à tous les métazoaires. La période de clivage est commune à tous les métazoaires. En conclusion, les premières observations de parentés morphologiques au cours du développement embryonnaire d’animaux phylogénétiquement éloignés ont fait émerger l’idée de l’unicité des êtres vivants. À l’appui de cette hypothèse, les travaux modernes en génétique du développement n’ont cessé d’aller dans ce sens. Il est maintenant admis que la diversité du règne animal résulte cependant de la mise en œuvre de gènes similaires.
Le modèle du sablier : Une convergence temporaire
Une étude réalisée par des chercheurs de l’Institut Weizmann des Sciences, récemment publiée dans Cell, propose une nouvelle approche pour comprendre le mystère de la création des embryons. Cette étude réalisée par les docteurs Yonatan Stelzer et Yoav Mayshar, du Département de Biologie Cellulaire Moléculaire de Weizmann, et Ofir Raz et le Prof. Amos Tanay, des Départements d’Informatique et de Mathématiques Appliquées et de Biologie Cellulaire Moléculaire, révèle de nouvelles informations sur les premiers stades du développement embryonnaire et pourrait aider à répondre à d’autres questions clés sur le sujet.
Lire aussi: Poussette canne pour voyager
Les chercheurs ont utilisé un système qu’ils avaient mis au point dans le cadre d’une étude antérieure menée sur des souris et qui, pour la première fois, décrivait avec succès le processus de développement embryonnaire au fil du temps. Le système repose sur des informations recueillies auprès de dizaines de milliers de cellules individuelles, ainsi que sur des photos et des mesures physiques d’embryons individuels.
Dans la présente étude, ils ont utilisé le même système pour relever un défi de taille, que les scientifiques avaient été contraints d’ignorer jusqu’à présent : le fait que le développement embryonnaire de la souris diffère de celui de la plupart des autres mammifères, y compris l’homme. Alors que les embryons de souris forment un cylindre allongé au cours de la gastrulation, les embryons des autres mammifères ressemblent à un disque presque plat. Les différences et les similitudes entre les embryons de souris et ceux d’autres mammifères soulèvent des questions fascinantes qui, jusqu’à présent, étaient difficiles à aborder : En quoi les embryons cylindriques de souris et les embryons en forme de disque se ressemblent-ils en termes d’expression génétique et de développement cellulaire, et en quoi diffèrent-ils ? Comment les gènes et les cellules de créatures aussi différentes convergent-ils et affichent-ils un comportement similaire à un certain moment du développement ?
Pour trouver des réponses, les chercheurs sont descendus dans le terrier du lapin. Bien que les lapins soient très différents des souris - encore plus qu’il n’y paraît à l’œil non averti - ils partagent certaines caractéristiques qui en font des modèles animaux précieux. Dans un premier temps, les chercheurs ont répété le processus qu’ils avaient mis en œuvre sur les souris, en cartographiant l’expression génétique et le développement des cellules et des tissus au fur et à mesure de leur évolution.
Les scientifiques ont trouvé des similitudes frappantes entre la souris et le lapin dans l’expression des gènes responsables du développement des tissus au stade de convergence décrit par le modèle du sablier - et ils ont réussi à identifier environ 75 gènes qui sont des facteurs clés dans ce processus. Cette découverte valide le modèle du sablier et montre que, malgré les formes géométriques très différentes des embryons, leurs gènes et leurs cellules se comportent de manière remarquablement similaire.
L'ontogenèse et la phylogenèse : Un débat historique
Ernst Haeckel, biologiste allemand contemporain de Charles Darwin, a popularisé l'idée que "l'ontogenèse récapitule la phylogenèse". Selon cette théorie, le développement embryonnaire d'un organisme (ontogenèse) refléterait l'histoire évolutive de son espèce (phylogenèse). Ainsi, un embryon de mammifère passerait par des stades ressemblant à ceux d'un poisson, puis d'un amphibien, avant d'acquérir les caractéristiques propres aux mammifères.
Lire aussi: Quelles sont les meilleures couches pour bébé ?
Cependant, cette théorie a été largement critiquée et discréditée. Haeckel a été accusé d'avoir falsifié ses dessins d'embryons pour renforcer sa théorie. Bien que les embryons de différentes espèces présentent des similitudes, il n'y a pas de récapitulation stricte de l'évolution. Les embryons de reptiles et de mammifères possèdent des caractères en commun avec les embryons de poisson. Par exemple, les arcs viscéraux des reptiles et des mammifères ne ressemblent pas aux arcs branchiaux des poissons mais plutôt aux arcs viscéraux embryonnaires de ces derniers.
Néanmoins, la théorie de Haeckel a eu une influence importante sur la pensée évolutionniste et a stimulé de nombreuses recherches en embryologie comparative.
Diversité et spécialisation : L'émergence des différences
Bien que les embryons partagent des similitudes initiales, ils finissent par diverger et se développer en organismes distincts. Cette divergence est due à des différences dans l'expression des gènes, les interactions cellulaires et les signaux environnementaux.
Différences dans le développement des cellules reproductrices
Les chercheurs ont également identifié des différences considérables entre les souris et les lapins en ce qui concerne le développement des cellules reproductrices précoces, qui deviendront plus tard l’ovule et le spermatozoïde - des différences qui sont d’une importance capitale pour la nature et les scientifiques, car elles sont essentielles pour maintenir la continuité entre les générations. Une meilleure compréhension du développement de ces cellules chez le lapin pourrait permettre de mieux comprendre le même processus chez l’homme.
Adaptation et environnement
Les larves de Coléoptères présentent les aspects les plus divers. Chez les insectes, les individus passent par un stade larvaire au cours duquel leur morphologie et, donc, leur comportement peuvent être totalement différents.
Lire aussi: Poussettes trio : le guide
Au moment de l'éclosion, le jeune crustacé a un aspect plus ou moins différent de celui de l'adulte.
Études sur le développement embryonnaire porcin
Afin d’optimiser la dérivation de cellules ES à partir de cellules d’embryons de porc, les chercheurs INRAE, en collaboration avec une équipe de recherche allemande, ont caractérisé les cellules ES de l’embryon et les molécules nécessaires à leur survie et leur prolifération.Pour cela, les chercheurs ont utilisé une technologie de pointe qui permet d’étudier l’ensemble des informations cellulaires issues des gènes (expression des gènes) à l’échelle de cellules uniques. Ils ont caractérisé ces informations pour 35 000 cellules embryonnaires, issues d’embryons de porcs âgés entre 5 et 11 jours après fécondation (avant l’implantation). Ils ont alors pu, par des approches statistiques et d’intelligence artificielle, identifier de nouvelles sous-populations de cellules embryonnaires, importantes pour la sécrétion de molécules nécessaires à l’implantation, qui contribuent ensuite au développement du placenta embryonnaire. Ils ont de plus observé, de façon originale, l’existence de deux types de cellules ES embryonnaires : l’une très précoce et très labile, que l’on retrouve aussi chez l’homme avant l’implantation, et une autre, plus tardive et plus stable dans le temps, qui persiste plusieurs jours avant l’implantation. La dynamique de ces deux populations cellulaires a été associée à des modifications importantes de l’activité sécrétrice de l’utérus maternel. Ainsi, grâce à l’analyse de ces 35 000 cellules, les chercheurs ont pu identifier de nouvelles molécules biologiques cruciales pour la biologie des cellules pluripotentes embryonnaires.Ces résultats originaux permettent 1) de mieux comprendre la biologie de l’embryon précoce de mammifère, en miroir des connaissances actuelles sur les cellules embryonnaires humaines et 2) d’optimiser les conditions de dérivation et de culture des cellules pluripotentes embryonnaires porcines. Ces avancées permettront d’obtenir des lignées de cellules souches embryonnaires porcines, qui permettront, à partir d’un faible nombre d’embryons, de mieux phénotyper in vitro les populations animales et de faire le lien avec les génotypes, pour mieux sélectionner les futurs animaux de demain et ainsi répondre aux grands enjeux des transitions agroécologique et climatique.Pour caractériser l’expression des gènes dans chaque cellule de l’embryon, les chercheurs ont utilisé la technologie dite de microfluidique en goutte. Chaque cellule est isolée dans une goutte avec des réactifs permettant de mesurer l’expression de ses gènes sans interférer avec les autres cellules. Chaque cellule est ensuite analysée pour retrouver celles qui sont semblables et les regrouper en populations cellulaires. Il est ensuite possible de comparer les populations cellulaires entre elles et d’identifier des molécules produites par leurs gènes qui sont importantes pour leur biologie.
Modèles animaux en embryologie : Le rôle crucial de la recherche
Étant donné qu’il est très difficile d’étudier les embryons humains au stade le plus précoce de leur développement, les scientifiques ont recours à des modèles animaux, principalement des souris. Mais après près d’un siècle de recherches approfondies sur les embryons de souris, qui ont donné lieu à de nombreuses découvertes importantes, nous en savons encore très peu sur le tout début de la vie humaine.
Le xénope : Un modèle polyvalent
Ainsi le développement de l’embryon précoce est facilement suivi. Leur développement est rapide et sa progression peut être modulée par la température selon les besoins de l’expérimentateur (en évitant des changements trop violents cependant, notamment lors de la gastrulation car cela peut amener à des malformations).
Deux espèces de Xenopus sont utilisées dans la recherche sur le développement : X. laevis et X. tropicalis. Chaque espèce offre des avantages spécifiques. Xenopus laevis produit de gros embryons qui sont excellents pour la microchirurgie embryonnaire, l’analyse de la surexpression des gènes, les études biochimiques. De son côté, Xenopus tropicalis est un organisme diploïde qui facilite les études de perte de fonction. Les ovocytes et les embryons de Xenopus tropicalis sont cependant plus petits que ceux de Xenopus laevis. Le génome des xénopes a une conservation importante avec l’Homme. Celui de Xenopus tropicalis contient des orthologues pour environ 79 % des gènes identifiés dans les maladies humaines. L’expression des gènes dans les embryons de xénope peut être facilement manipulée à l’aide de microinjections d’ARNm et d’oligonucléotides morpholino antisens (MO) pour un gain ou une perte de fonction, respectivement.
Un autre avantage majeur de l’utilisation de Xenopus pour étudier le développement est la capacité de générer des animaux transgéniques. L’incorporation d’ADN exogène dans le génome d’un zygote a été développée chez Xenopus tropicalis et Xenopus laevis à la fin des années 1990. Lorsqu’il correspond à un rapporteur fluorescent comme la GFP sous le contrôle d’un promoteur spécifique, l’expression d’un transgène peut être surveillée au fil du temps dans un embryon vivant en développement. Des lignées rapportrices, par exemple de l’activité d’une voie de signalisation, peuvent être étudiées. La technique CRISPR/Cas9 peut être utilisée pour créer des mutations gain ou perte-de-fonction ou générer des lignées rapportrices.
En plus des méthodes perte- et gain-de-fonction efficaces et peu coûteuses, Xenopus présente des avantages pour l’analyse comparative des structures. En effet, l’injection d’une seule cellule de l’embryon à deux cellules peut cibler le côté gauche ou droit de l’embryon. En utilisant des traceurs fluorescents (GFP) ou enzymatiques (β-galactosidase), on peut facilement détecter le côté injecté de l’embryon et le comparer au côté non injecté. De telles manipulations sont très utiles car elles fournissent un contrôle interne chez le même animal pour chaque expérience. En plus de l’injection au stade 2 cellules, les embryons de xénope ont une carte du destin cellulaire bien définie pour chaque système organique. Cela permet des injections ciblées, où l’expression des gènes peut être modifiée dans des organes ou des tissus spécifiques. Les embryons de xénope et notamment de Xenopus laevis qui sont plus gros se prêtent très bien à des expériences de microchirurgie embryonnaire. Fait important, parce que les premiers stades de clivage sont holoblastiques (par opposition aux clivages méroblastiques chez les embryons de poule ou de poisson zèbre), le vitellus (réserves énergétiques) est distribué à toutes les cellules, de sorte que les explants ne nécessitent aucune nutrition supplémentaire car ils peuvent survivre en utilisant les nutriments stockés dans les cellules. Le tissu disséqué se développe et se différencie dans une simple solution saline. Le xénope est aussi utile pour produire des cultures cellulaires de cellules pluripotentes : les cellules de la calotte (ou coiffe) animale, prélevées sur des blastulas. Sans intervention, ces cellules finissent par se développer en petits organoïdes épidermiques.
tags: #comparatif #développement #embryonnaire #animaux