Le développement embryonnaire est un processus complexe et fascinant qui commence avec la fécondation et se poursuit avec une série de divisions cellulaires rapides et coordonnées. La vitesse de ces divisions, ainsi que leur précision, sont cruciales pour assurer le bon développement de l'embryon. Cet article explore en détail les différents aspects de la vitesse de division cellulaire pendant le développement embryonnaire, en mettant l'accent sur les facteurs qui l'influencent et les conséquences des anomalies.
Clivage : les premières divisions cellulaires
Après la fécondation, l'œuf commence à se diviser rapidement par mitose, un processus appelé clivage. Il s’agit de 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. Lors du développement embryonnaire précoce, l’embryon maintient un volume constant alors que ses cellules se divisent rapidement, conduisant à la réduction progressive du volume cellulaire. Le fuseau mitotique qui sépare les chromosomes lors des divisions cellulaires est capable d'adapter sa taille au volume cellulaire. Une équipe de l’Institut Jacques Monod a identifié un mécanisme dépendant des microtubules, permettant au fuseau mitotique d'adapter sa taille tout en maintenant un temps d'assemblage constant.
Les premières divisions cellulaires sont synchrones, mais deviennent de plus en plus asynchrones. Plusieurs types de clivage existent, notamment :
- Clivage en spirale : 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 radiaire
- Clivage 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. 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.
- Clivage chez les oiseaux : 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.
Vitesse de division cellulaire : un facteur clé
La vitesse à laquelle les cellules se divisent pendant le clivage est exceptionnellement rapide, notamment chez les amphibiens. 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).
Transition mi-blastuléenne (MBT)
À 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.
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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).
Chez les mammifères
Chez les mammifères, le clivage a lieu dans les voies génitales femelles, avant l’implantation. 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).
Formation du blastocyste
Au terme du cinquième jour environ, l’embryon se libère de la zone pellucide (coque protectrice) qui l’enveloppe. L’embryon fait éclater cette enveloppe par une suite de contractions d’expansion (expansion contractions). Il est aidé par des enzymes qui dégradent la zone pellucide au pôle anti-embryonnaire (le pôle qui se trouve à l’opposé de l’embryon). Ces contractions d’expansion rythmiques permettent à l’embryon de s’extraire de l’enveloppe rigide.
Environ 5 à 6 jours après la fécondation, l’embryon atteint le stade de blastocyste. Pendant cette phase, les cellules embryonnaires se différencient en deux groupes principaux :
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- le trophectoderme (TE) qui génère le placenta. Les cellules à l’extérieur de l’embryon sont destinées à se différencier en TE extra-embryonnaire
- la masse cellulaire interne (MCI), qui donnera naissance à tous les tissus et organes du corps. 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’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).
Le blastocyste est composé d’un ensemble de cellules appelées trophoblastes, qui formeront par la suite le placenta et la membrane embryonnaire externe, et d’un groupe de cellules internes appelées masse cellulaire interne (ICM), qui donneront naissance à tous les tissus et organes du corps du futur individu. Le blastocèle est une cavité interne remplie de liquide située entre le trophoectoderme et la masse cellulaire interne.
Importance du blastocyste
Les blastocystes sont essentiels à la réussite de l’implantation embryonnaire, car ils représentent le stade où l’embryon est prêt à « communiquer » avec l’utérus et à s’attacher à sa paroi. L’implantation embryonnaire est le processus par lequel le blastocyste s’attache à l’endomètre (la paroi de l’utérus) et commence à s’intégrer dans le tissu utérin. Durant la phase de blastocyste, une communication est établie entre l’embryon et l’utérus. L’embryon libère des signaux chimiques qui influencent le revêtement de l’utérus, le rendant réceptif à l’implantation. Avant l’implantation, le blastocyste doit se libérer de la zone pellucide, une membrane protectrice qui entoure l’embryon depuis la fécondation. Ce processus, appelé éclosion, permet au blastocyste de se développer et d’interagir directement avec l’endomètre pour l’attachement. Après l’éclosion, le blastocyste s’attache à l’endomètre par le biais du trophoectoderme. Une fois attaché, le blastocyste commence à envahir le tissu endométrial, s’intégrant dans la paroi utérine. Lorsque le blastocyste s’intègre dans l’endomètre, la formation du placenta commence. Cette structure est essentielle pour le soutien nutritionnel et hormonal de la grossesse.
Fécondation in vitro (FIV) et développement embryonnaire
La procréation médicalement assistée est un outil de plus en plus utilisé par les couples et les individus qui rencontrent des difficultés à concevoir naturellement. Dans la fécondation in vitro (FIV) et dans d’autres techniques de reproduction assistée, le développement du blastocyste est d’un intérêt particulier car il peut augmenter les chances de succès du traitement.
Culture prolongée
Dans les centres de procréation assistée, les blastocystes sont cultivés en laboratoire grâce à un processus appelé culture prolongée. La culture prolongée est une technique qui permet de cultiver les embryons jusqu’au stade de blastocyste (environ 5-6 jours après la fécondation) dans des incubateurs spéciaux qui fournissent un environnement contrôlé, avec des températures, une humidité et une concentration de gaz optimales.
Évaluation de la qualité embryonnaire
Dès la fécondation et jusqu’à ce qu’ait lieu le transfert dans l’utérus maternel, les embryons suivent un développement qui est évalué par les embryologues. Les critères d’évaluation sont basés sur des recommandations établies par l’ASEBIR (Association pour l’étude de la biologie de la reproduction), en 2007 et actualisés en 2015. Le 1er Jour, on évalue la présence de 2 pronucléi (un provenant de l’ovule et l’autre du spermatozoïde) ainsi que des 2 globules polaires. Le 2ème Jour, on évalue la première division embryonnaire. Le 3ème Jour, le nombre de cellules et le pourcentage de fragmentation sont évalués. Le 4ème Jour, l’embryon commence sa transformation en blastocyste, en passant d’un état dans lequel on observe les cellules de manière individualisée et qui se transforment en une masse compactée qui prend le nom de morula. A ce jour du développement embryonnaire, on évalue que l’embryon a augmenté en nombre de cellules ainsi que dans son degré de compactage et si toutes les cellules sont incluses ou si certaines ont été laissées en dehors. Entre le 5ème et le 6ème Jour de développement après la fertilisation, les embryons terminent leur transformation en blastocystes. On évalue notamment le blastocèle (la cavité interne), la zone pellucide (couche externe qui entoure l’embryon) le trophectoderme (couche de cellules externe qui entourent le blastocyste et conduira au placenta) et la masse cellulaire interne (petit groupe de cellules à partir desquelles le fœtus prend son origine). Il est important d’indiquer qu’autant la classification définitive que les différentes évaluations qui se feront durant le développement sont un outil servant à évaluer la qualité du développement et ses possibilités de gestation. Cependant, ni un embryon de type A ne garantit le succès, ni un embryon de type D ne garantit l’échec.
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L’évaluation morphologique des blastocystes est effectuée en utilisant un microscope pour examiner le degré d’expansion du blastocèle, la qualité des cellules du trophoblaste et de la masse cellulaire interne. Il existe différents systèmes de classification pour évaluer la qualité des blastocystes, comme le système de Gardner, qui attribue un score basé sur ces paramètres. La technologie en temps réel permet de surveiller continuellement le développement embryonnaire grâce à des images prises à intervalles réguliers. Ce système fournit des informations détaillées sur la division cellulaire, la morphologie et le timing du développement des blastocystes, sans avoir à retirer les embryons de l’incubateur.
Facteurs affectant le succès de la FIV
Malgré les avancées de la FIV, les chances de succès restent limitées, avec un taux de réussite de seulement 20 à 25% par tentative. Plusieurs facteurs peuvent influencer le succès de la FIV, notamment :
- Anomalies chromosomiques : 25 à 30% des ovocytes et environ 10% des spermatozoïdes sont porteurs d’anomalies chromosomiques. Environ 10% des œufs sont polyspermiques ou parthénogénétiques. Il y a donc au moins 50% d’embryons porteurs d’anomalies chromosomiques. Ces embryons peuvent avoir la même forme, le même aspect et la même vitesse de développement (au cours des premiers stades) que les autres ; le taux d’anomalies chromosomiques est en revanche très élevé chez les embryons dont la forme est tout à fait atypique.
- Maturité des ovocytes : Une ponction contient un lot hétérogène d’ovocytes : certains sont parfaitement matures, d’autres le sont incomplètement, d’autres enfin sont totalement immatures. Les proportions de ces différentes catégories sont très variables d’une ponction à l’autre et il peut même se faire qu’il n’y ait aucun ovocyte parfaitement mature. La vitesse de croissance du taux d'estradiol et la taille folliculaire est plus significative que les chiffres du jour du déclenchement ; si elle est trop lente ou trop rapide, le nombre d'ovocytes matures sera faible. Au laboratoire, seuls les ovocytes totalement immatures (c'est-à-dire sans maturité nucléaire et donc sans globule polaire) peuvent être repérés. Plus le nombre d'ovocytes avec maturité nucléaire (avec globule polaire) est élevé, plus il y a de chances que les autres ovocytes avec maturité nucléaire soient parfaitement matures au plan cytoplasmique. Enfin, plus le nombre d'ovocytes recueillis est proche du nombre de follicules de grande taille, plus il y a de chances que les ovocytes les plus matures aient été prélevés. Les premiers stades de développement embryonnaire nécessitent la présence de substances élaborées par l’ovocyte avant l’ovulation, pendant sa phase de maturation. Si la maturité est imparfaite, ces substances font défaut et le développement sera compromis. L’immaturité ovocytaire peut aussi être cause d’anomalies chromosomiques.
- Pouvoir fécondant du sperme : Le pouvoir fécondant du sperme exprime le pourcentage de spermatozoïdes fécondants. Cette propriété qu’on appelle fécondance permet à un spermatozoïde de rencontrer un ovocyte et de fusionner avec lui. Il est faux de dire que le nombre et la mobilité des spermatozoïdes diminuant, il y aura toujours dans un sperme le ou les quelques spermatozoïdes fécondants. En réalité, la diminution du nombre et de la mobilité ne sont que les signes d’une baisse de fécondance. Donc dans les spermes de mauvaise qualité, il peut n’y avoir aucun spermatozoïde fécondant, bien qu’il y en ait encore d’apparemment normaux et mobiles.
- Qualité de l'utérus : Les échecs de nidation sont malheureusement très nombreux et peuvent être liés à la qualité des embryons ou à celle de l'utérus. La qualité des embryons a déjà été vue au chapitre précédent ; celle de l'utérus est difficile à apprécier. L'analyse échographique (épaisseur et aspect de l'endomètre, vascularisation au doppler) ne permet qu'une approche approximative. L'aptitude à la nidation dépend de différents facteurs :
- L'âge de la femme : le taux de grossesse par ponction passe de 24% à 30 ans, à 14% à 40 ans et 2% à 43 ans.
- La cause de l'infertilité : dans les infertilités masculines, le taux de nidation est plus élevé, du fait qu'en général dans ces cas, le conjointes sont normalement fertiles.
- La durée de l'infertilité : elle intervient uniquement dans les cas d'hypofertilités (tubaires, inexpliquées et masculines) où plus la durée d'infécondité est longue, plus les chances de nidation sont réduites. Dans les stérilités tubaires, la durée d'infécondité n'a pas de valeur pronostic, puisqu'il n'y a généralement jamais eu de fécondation spontanée.
- La présence de grossesse(s) antérieure(s) : le taux de nidation est plus important chez les femmes ayant déjà eu auparavant une ou des grossesse(s) spontanée(s) ou par FIV, menée(s) ou non à terme. Ce sont en effet des femmes "plutot fertiles".
- Le rang de la tentative : plus le rang de la tentative s'élève, plus les chances de nidation diminuent. L'explication est que les femmes faisant la 5ème-6ème tentative ou plus sont évidemment moins fertiles que celles qui ont obtenu une grossesse à la 1ère ou la seconde FIV (c'est une sorte de sélection par l'échec).
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