Introduction
La matrice acellulaire d'ovocyte est un composant essentiel de la biologie de la reproduction, jouant un rôle crucial dans le développement embryonnaire précoce. Cet article explore la définition, la composition et l'importance de cette matrice extracellulaire.
Définition de la Matrice Acellulaire
La matrice acellulaire est une substance extracellulaire gélatineuse, translucide, située entre l'endoderme et l'ectoderme chez les cnidaires et les cténaires, ou encore, constitue la tunique moyenne gélatineuse de la paroi du corps des Coelentérés. Chez les diploblastiques, la mésoglée sépare l'ectoderme et l'endoderme, elle est primitivement anhiste mais colonisée secondairement par divers types de cellules nerveuses ou musculaires.
La mésoglée, comme celle d'une méduse, est principalement de l'eau, sans vie autonome, et se résume à une substance gélatineuse trouvée entre les deux couches épithéliales de cellules dans le corps des Coelentérés.
Composition de la Matrice Acellulaire
La matrice acellulaire est constituée de différents composants, qui varient selon l'organisme et le type de tissu.
Composants Principaux
Outre l'eau, la mésoglée est composée de plusieurs substances dont des protéines fibreuses comme le collagène et l'héparane sulfate protéoglycanes. La mésoglée est constituée de 98 % d'eau, ainsi que de collagènes, de mucosaccharides et de glycoprotéines.
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Composants Cellulaires
La mésoglée est principalement acellulaire, mais chez les cnidaires et cténophores, elle contient des faisceaux musculaires et des fibres nerveuses. D'autres cellules nerveuses et musculaires se trouvent juste sous les couches épithéliales (épithélium avec cellules épithéliales). La mésoglée contient également des amibocytes (ou amoebocyte) errants qui jouent un rôle dans la phagocytose des débris et les bactéries. Ces cellules combattent aussi les infections en produisant des produits chimiques antibactériens.
Rôle Biologique de la Matrice Acellulaire
La matrice acellulaire joue plusieurs rôles cruciaux dans le développement embryonnaire précoce.
Support Structurel
Une mésoglée peut être plus mince que l'une des couches de cellules chez les petits coelentérés (cas des hydres) ou peuvent constituer l'essentiel du corps dans les grandes méduses. La mésoglée sert de squelette interne, en soutenant le corps. Ses propriétés élastiques aident à restaurer la forme après avoir été déformée par la contraction des muscles. Cependant, sans la flottabilité de l'eau à l'appui, la mésoglée n'est pas suffisamment rigide pour supporter le poids du corps et les coelentérés "s'effondrent" quand ils sont sortis de l'eau.
Signalisation Cellulaire
La matrice acellulaire est impliquée dans la signalisation cellulaire, facilitant la communication entre les cellules et influençant leur comportement.
Développement Embryonnaire
La matrice acellulaire joue un rôle essentiel dans le développement embryonnaire précoce, influençant la division cellulaire, la différenciation et la morphogenèse.
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Clivage et Développement Embryonnaire
Le clivage est la première étape du développement embryonnaire où le zygote puis l’embryon subit des mitoses successives, ce qui divise le cytoplasme issu de l’ovocyte.
Clivage en Spirale
Le clivage en spirale est caractérisé par une rotation de 45° du fuseau mitotique par rapport à l’axe animal-végétatif dans la transition du stade quatre à huit cellules. Cette rotation persiste dans les divisions ultérieures, avec à chaque fois une alternance de sens, soit dextre soit senestre. Finalement, cela se traduit par des cellules situées au pôle animal de l’embryon affichant un arrangement compact en forme de spirale, d’où le nom de ce type de clivage. Le clivage en spirale est présent chez au moins huit grands groupes d’animaux, incluant les Annélides, les Mollusques et les Plathelminthes. Souvent considéré à tort comme le modèle de clivage typique des Protostomiens, le clivage en spirale est plutôt spécifique et probablement une synapomorphie (caractère dérivé partagé exclusif) des Spiralia.
Clivage chez les Amphibiens
Chez les amphibiens, le zygote subit une série de mitoses très rapides qui vont le rendre pluricellulaire. L’ensemble du volume de l’ovocyte est cellularisé : on parle de clivage total ou holoblastique. Le premier plan de clivage est méridien et correspond à l’axe pôle animal/pôle végétatif. Le zygote est divisé en deux cellules de taille similaire, appelées blastomères. Le second plan de division est également méridien mais perpendiculaire au premier. Bien que similaires en apparence, ces blastomères ne sont pas identiques. Hans Spemann a montré en 1903 que si on sépare les blastomères, seuls ceux qui ont hérité du croissant gris (une région partiellement pigmentée générée par la rotation corticale à la suite de la fécondation) donne des embryons normaux tandis que les autres donnent des structures sans axes définis. Le troisième plan de division est perpendiculaire aux deux précédents, parallèle à l’ »équateur » mais légèrement décalé dans l’hémisphère animal. Les cellules générées n’ont plus les mêmes tailles avec 4 cellules plus petites (appelées micromères) autour du pôle animal et 4 cellules plus grosses (appelées macromères) du côté du pôle végétatif. Avec de nouvelles divisions, on arrive au stade blastula. Les macromères autour du pôle végétatif sont toujours plus gros (car plus riches en vitellus) que les micromères autour de pôle animal.
Cartes des Territoires Présomptifs
Pendant et à l’issue du clivage, on peut marquer spécifiquement des cellules de l’embryon, laisser la suite du développement se dérouler et observer en quoi ces cellules marquées se développeront plus tard. On établit ainsi une carte des territoires présomptifs. Pour ce faire, on réalise des injections de marqueurs cytoplasmiques fluorescents comme la fluorescéine ou la rhodamine couplée au dextran. Le dextran est un polymère glucidique non dégradable dans le cytoplasme et trop gros pour passer d’une cellule à l’autre ou traverser la membrane plasmique. Si on constate un décalage entre le devenir des cellules cultivées isolément et la carte des territoires présomptifs (où les cellules marquées et suivies restent à leur place habituelle dans l’embryon) cela veut dire que les cellules ne sont pas encore déterminées.
Induction du Mésoderme
Des expériences de recombinaisons telles que celles effectuées par Nieuwkoop ont montré que le mésoderme est induit à partir de l’ectoderme à partir de signaux provenant de l’endoderme. On parle d’induction du mésoderme. Ces signaux sont déjà polarisés puisque de l’endoderme dorsal induit du mésoderme dorsal, et de l’endoderme ventral induit du mésoderme ventral. On connait maintenant la signalisation impliquée. Il s’agit de la signalisation Nodal de la famille des ligands TGFβ (ligands Xnr chez le xénope). L’expression de ces ligands Xnr est activée par VegT, un facteur de transcription dont les ARNm ont été stockés au pôle végétatif lors de l’ovogenèse mais qui n’ont pas été déplacés lors de la rotation corticale. VegT active l’expression de Sox17 qui détermine les cellules de l’hémisphère végétatif en endoderme et il active aussi l’expression des Xnr qui diffusent et induisent le mésoderme dans les cellules sus-jacentes.
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Transition Mi-Blastuléenne (MBT)
Chez les amphibiens, les premières divisions sont très rapides (toutes les 30-35 minutes à 25°C), ce qui est exceptionnel pour une cellule eucaryote : c’est une vitesse qui n’a rien à envier à la prolifération des bactéries ! Le cycle cellulaire est fortement modifié avec une succession de phase S et de phase M, sans phases G1, ni G2. Lors de la fécondation chez le xénope, le taux de synthèse des protéines augmente fortement et pendant le clivage, un grand nombre de nouvelles protéines sont synthétisées, comme l’ont montré des études de protéomique. Toutes ces protéines sont synthétisées par traduction d’ARNm maternels préformés. Il y a très peu de nouveaux ARN (ARNm, ARNr et ARNt) synthétisés jusqu’au 12ème cycle cellulaire, où l’embryon est composé de 4096 cellules (=212 cellules). A cette étape qui s’appelle la transition mi-blastuléenne (MBT), le cycle cellulaire ralentit permettant à une phase G1 et G2 de se mettre en place. La transcription est activée. Les gènes paternels sont donc transcrits pour la première fois à cette période et avant, c’était le génotype maternel qui contrôle le développement. Le facteur clé déclenchant la MBT semble être le ratio ADN/cytoplasme, à savoir la quantité d’ADN présente par unité de masse de cytoplasme. En effet, l’augmentation artificielle de la quantité d’ADN en laissant plus d’un spermatozoïde entrer dans l’ovocyte ou en injectant de l’ADN supplémentaire dans le zygote aboutit à une MBT précoce. Cela suggère qu’il existe une quantité fixe d’un répresseur de transcription présent initialement dans le cytoplasme de l’ovocyte. Comme ce volume est clivé, la quantité de cytoplasme n’augmente pas, mais la quantité d’ADN si (car elle est doublée à chaque réplication).
Clivage chez les Oiseaux
Chez les oiseaux tels que la poule, le clivage ne concerne qu’une toute petite région du volume de l’ovocyte, le reste restant occupé par le vitellus et restant acellulaire. La première mitose a lieu environ 4 heures après la fécondation et les 16 premières cellules ne sont pas complètement entourées par une membrane plasmique et restent « ouvertes » sur le vitellus. Ensuite, les nouvelles cellules produites sont complètement « fermées ». Les axes de l’embryon de poule sont mis en place à ce stade. L’axe dorso-ventral est défini par la proximité avec le vitellus (le côté ventral est le plus proche du vitellus). L’embryon passe alors 20h dans la partie de l’appareil génital appelé utérus et où se dépose la coquille calcaire. La paroi musculeuse de l’utérus provoque une lente rotation de l’œuf (10 à 12 tours par heure) assurant ainsi la distribution homogène des cristaux. Lorsque l’œuf est pondu, l’embryon a terminé son clivage et possède 20.000 à 30.000 cellules. Un sous-ensemble de ces cellules forme un disque quasi-épithélial épais d’une seule couche, l’épiblaste. À la périphérie de l’embryon, l’épiblaste repose sur une couche rigide de plusieurs épaisseurs de grandes cellules mésenchymateuses, qui entrent directement en contact avec le vitellus sous-jacent. Cette portion externe de l’embryon en forme de couronne est connue sous le nom d’Area Opaca (AO). Elle paraît sombre à cause de très nombreuses gouttelettes lipidiques dans les cellules collées contre le vitellus. Dans la partie centrale de l’embryon qui paraît nettement plus claire, l’Area Pellucida (AP), des amas de quelques petites cellules arrondies s’attachent à la face ventrale (inférieure) de l’épiblaste, formant l’hypoblaste primaire. Au cours du développement initial, l’hypoblaste primaire s’aplatit pour former une couche épithéliale de grandes cellules minces, l’hypoblaste. Les cellules épiblastiques AP donnent naissance à l’embryon proprement dit, tandis que l’hypoblaste et l’AO forment des structures extra-embryonnaires. Durant cette phase, les capacités de régulation de l’embryon de poulet sont remarquables.
Clivage chez les Mammifères
Le clivage a lieu dans les voies génitales femelles, avant l’implantation. L’ovulation, la fécondation, le développement pré-implantatoire et l’implantation se produisent à des endroits spécifiques de l’appareil reproducteur féminin en l’espace d’environ une semaine. L’activation du génome zygotique a lieu dans un embryon avec peu de cellules contrairement à la drosophile et au xénope. Cette activation comprend deux vagues : une mineure et une majeure. Chez la souris, la vague mineure a lieu à la fin du stade zygote, tandis que la vague majeure se produit au stade 2 cellules. Chez l’homme, la vague mineure a lieu au stade 4 cellules tandis que la majeure se produit au stade 8 cellules. La vague mineure tant chez la souris que chez l’homme est sous le contrôle du facteur de transcription DUX4. Chez la souris, l’ARN polymérase II qui synthétise les ARNm est positionnée sur de nombreux sites de la chromatine dès le stade zygote mais change de positionnement au stade 2 cellules juste avant la vague majeure. Ce changement de répartition essentiel à l’activation du génome zygotique est sous le contrôle des protéines OBOX. Initialement, les blastomères au stade 8 cellules sont lâchement attachés les uns aux autres mais lors de la compaction, l’adhérence cellule-cellule devient nettement plus forte (elle a lieu au stade 8 cellules chez la souris et de manière asynchrone entre les stades 8 et 16 cellules chez l’Homme). La compaction nécessite la présence d’ions Ca2+ extracellulaires ce qui suggère que des cadhérines, des molécules transmembranaires jouant un rôle dans l’adhérence cellulaire et dont l’activité dépend des ions Ca2+, sont impliqués. Des études plus poussées ont montré que la compaction est causée par l’exocytose de vésicules intracellulaires contenant de la E-cadhérine. Des embryons où les deux allèles du gène codant la E-cadhérine ont été délétés réalisent quand même la compaction ce qui montre que la E-cadhérine impliquée à cette étape est d’origine maternelle. La compaction de l’embryon humain est également contrôlée par la contractilité cellulaire dépendante des interactions actine-myosine générant une augmentation de la tension superficielle à l’interface cellule-milieu. Cette tension est augmentée 4 fois dans les embryons humains lors de la compaction (et que 2 fois chez la souris). La spécification de ces lignages est initiée lorsqu’un groupe de cellules est dirigé vers l’intérieur de l’embryon au cours de deux séries de divisions asymétriques aux transitions de 8 à 16 cellules et de 16 à 32 cellules. Les cellules à l’extérieur de l’embryon sont destinées à se différencier en TE extra-embryonnaire, tandis que les cellules à l’intérieur forment la MCI pluripotente. Plus tard, vers E3,5 chez la souris (et vers E5 chez l’Homme), les cellules de la MCI deviendront soit l’épiblaste pluripotent qui donnera naissance au fœtus, soit l’endoderme primitif qui contribuera principalement aux tissus extra-embryonnaires (à ne pas confondre avec l’endoderme de l’embryon qui se formera plus tard).
ADN et ARN : Biomarqueurs Pertinents
Les molécules d’ADN et d’ARN sont à la base de la constitution de chaque cellule, de chaque organe et donc de chaque organisme. Isoler ces molécules et décrypter leurs mécanismes permet d’identifier certains biomarqueurs (ou marqueurs biologiques) qui seront associés à des pathologies ou à la réponse à des agents extérieurs tels que des médicaments, la pollution, etc.
Définition et Fonction de l'ADN et l'ARN
L’ADN et l’ARN (respectivement acide désoxyribonucléique et acide ribonucléique) sont des molécules qui présentent des différences au niveau de leur structure et de leur fonction dans la cellule. L’ADN représente la Matrice de toutes les cellules d’un organisme et comporte le cryptage des gènes. Ces gènes sont exprimés sous la forme d’ARN : ARN codant pour une protéine (~2% du génome humain) et ARN non codant (~20% du génome humain). Ces gènes permettent la synthèse des briques élémentaires de la vie, favorisent certaines réactions enzymatiques et permettent une régulation extrêmement complexe de tous ces éléments. Contrairement à l’ADN, qui est défini à la naissance et change peu au cours de la Vie, l’ARN est en constante évolution, reflétant l’état de santé général de la cellule, de l’organe et de l’organisme auquel il appartient.
Altérations Génétiques: Constitutionnelles et Somatiques
Au cours des recherches, l’objectif de l’analyse de l’ADN est d’identifier les mutations génomiques, depuis un seul élément constitutif de l’ADN (paire de bases) jusqu’à un large segment d’un chromosome qui comprend plusieurs gènes. Deux principaux types d’altérations, appelées mutations, sont observés :
- Les altérations génétiques constitutionnelles, héritées d'un parent, qui sont également appelées mutations germinales parce qu'elles sont présentes dans les ovules ou les spermatozoïdes du parent, qui sont également appelés cellules germinales. Si cet ADN contient une mutation, l'enfant qui se développe à partir de l'ovule fécondé aura la mutation dans chacune de ses cellules. Ces altérations peuvent faire partie de l'évolution "positive" d'une espèce au fil du temps.
- Les altérations génétiques somatiques (ou acquises), qui surviennent à un moment donné de la vie et ne sont présentes que dans certaines cellules, et non dans toutes les cellules du corps. Ces altérations peuvent être causées par des facteurs environnementaux tels que les rayons ultraviolets du soleil, ou peuvent se produire si une erreur est commise lorsque l'ADN se copie pendant la division cellulaire. Les mutations acquises peuvent entraîner le développement d'une pathologie (maladies génétiques, cancers, etc.).
Mutations et Modifications Chimiques de l'ADN
Les mutations les plus étudiées sont les polymorphismes mononucléotidiques (SNP) et les séquences d’insertion/délétion (InDels), qui représentent une mutation ou une séquence unique pouvant être modifiée, insérée ou supprimée de manière aléatoire ou ciblée dans le génome d’un individu ou d’un groupe d’individus présentant des caractéristiques communes (sain ou malade, traité par un médicament ou un placebo, même ethnie, etc.). Ces processus représentent également des mécanismes qui peuvent conduire à l’apparition d’un phénomène biologique ou d’une maladie, comme la résistance ou la sensibilité à certaines infections. L’ADN peut également subir des modifications « chimiques » telles que la méthylation (ou déméthylation) d’un acide désoxyribonucléique. Ces modifications épigénétiques, phénomènes naturelles, sont normalement contrôlées par la cellule elle-même mais parfois subies par un agent extérieur (pollution, etc.), et entraînent une modification de l’expression des gènes et donc des protéines induites.
ADN Acellulaire et ADN Tumoral Circulant (ADNtc)
Au cours de la dernière décennie, dans le domaine de la recherche en oncologie, des molécules d’ADN spécifiques sont fortement étudiées dans le cas de l’identification de tumeurs solides. Si l’ADN acellulaire (cfDNA) est détecté naturellement et normalement dans les biopsies liquides (sang, salive ou urine), les chercheurs cherchent à détecter l’ADN tumoral circulant (ADNtc). Ces ADNtc proviennent de la tumeur ou de cellules tumorales circulantes (CTC), des cellules tumorales intactes qui se détachent des tumeurs primaires.
De l'ADN vers l'ARN
Dans le processus d’expression génique (la transcription), les gènes codés sur l’ADN sont recopiés et transcrits en molécules d’ARN. La famille des ARN est très vaste et peut être divisée en deux familles :
- Les ARN codant pour les protéines (ARNm ou ARN codant). La plus étudiée est l'ARN messager (ARNm) et représente moins de 3 à 5 % des molécules d'ARN dans la cellule. Ils sont impliqués dans la production de protéines, d'hormones, d'enzymes, etc.
- et d'ARN non codants, c'est-à-dire des ARN dépourvus de potentiel de codage des protéines. Les ARN non codants sont ensuite divisés en différentes classes selon leur localisation ou leur mécanisme d'action capable d'interférer physiquement avec un autre ARN, un ADN ou une protéine afin de modifier leurs activités. Par exemple, l'ARN long non codant comme l'ARN ribosomique ou de transfert (plus de 90 % du total des molécules d'ARN dans une cellule) est impliqué dans les processus de traduction, l'ARN nucléaire de petite taille dans la modification de l'ARN, ou l'ARN interférant de petite taille, le micro-ARN et le piwi-ARN interagissant dans le silençage de l'ARN.
Analyse des ARN et Processus Moléculaires
Dans le cadre de recherche, l’analyse de certains ARNs a pour but d’identifier des processus moléculaires naturellement contrôlés par la cellule, mais qui sont perturbés dans certains cas :
- L’épissage alternatif (splicing) : processus permettant à 1 gène de produire différentes molécules d'ARN et d'introduire de la diversité (selon un besoin environnemental ou biologique, une altération cellulaire, une pathologie, une réponse à un médicament, etc.). Ainsi, chaque ARN peut être traduit (processus de synthèse d'une protéine à partir d'une molécule d'ARN) en plusieurs protéines, et donc en différentes fonctions cellulaires, avec des effets positifs ou négatifs;
- Les modifications post-transcriptionnelles des ARN (RNA editing) : processus permettant d’introduire des modifications structurelles de l’ARN (polymorphisme, méthylation…) au moment de sa maturation et, en conséquence, de modifier la protéine produite ;
- La dégradation de l'ARN (dégradome) : processus permettant de contrôler la durée de vie, et donc l’activité d’une molécule d’ARN, pouvant être de quelques secondes à plusieurs jours.
Biomarqueurs ADN et ARN en Médecine et Essais Cliniques
ADN et ARN sont aujourd’hui utilisés comme biomarqueurs pour le diagnostic et le pronostic de différentes maladies. Détectables dans les tissus ou les fluides (biopsies liquides : salive, urine, sérum ou sang), ces acides nucléiques sont ainsi considérés comme des biomarqueurs de routine pour le diagnostic du cancer, la surveillance de la progression tumorale et la prédiction de la réponse thérapeutique telle que la réponse ou la résistance à une molécule. Au cours des dernières décennies, les essais cliniques incluant une stratification des patients par des biomarqueurs se sont avérés fructueux dans le développement de nouveaux médicaments. Depuis la fin 2018, ce sont ainsi plus de 30 médicaments qui ont été développé conjointement avec un diagnostic d’identification des patients les plus susceptibles de bénéficier de ces nouveaux traitements. Cette approche est aujourd’hui suivie pour les scientifiques et les industriels impliqués en médecine de précision.
Biomarqueurs ARN : Approche Thérapeutique en Temps Réel
L’analyse des ARN (ou analyse de l’expression des gènes) est une approche particulièrement pertinente en diagnostic et diagnostic prédictif avec de très bons résultats expérimentaux obtenus dans différentes maladies, en particulier en oncologie. L’analyse des ARN présente l’avantage de pouvoir être mise en œuvre sur une biopsie liquide, notamment un prélèvement sanguin, approche non invasive et adaptée pour un usage clinique en routine : facilité d’utilisation, sécurité d’emploi, débit important et coût faible. Comparées à des analyses mises en oeuvre sur la tumeur (prélèvement aléatoire et non représentatif de la diversité de la population clonale) ou le liquide cérébrospinal dans les pathologies neuro-dégénératives (risques pour le patient, coût élevé, débit faible…) ou en imagerie médicale (débit faible, coût important…), l’analyse de l’expression des gènes basée sur le sang (total) répond totalement aux besoins identifiés par de nombreux scientifiques et équipes médicales.
Les biomarqueurs ARN permettent :
- une analyse très précoce d’apparition ou d’évolution de la maladie,
- une analyse différentielle de l'expression des gènes,
- une analyse informative et précise,
- une analyse spécifique de la réponse au médicament.
Au cours des dernières années, de nombreuses études ont démontré la pertinence de l’utilisation des technologies d’analyse des ARN pour l’identification de biomarqueurs pertinents de diagnostic.
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