Les étapes du développement embryonnaire chez les Vertébrés

Résumé en cinq points

Notions et mécanismes

Définition et bornes du développement embryonnaire

Le développement embryonnaire débute à la fécondation et s'achève à l'éclosion chez les espèces ovipares ou à la naissance chez les espèces vivipares. Il conduit à un organisme qui présente les caractéristiques morphologiques et anatomiques de son espèce.

Deux remarques préviennent des confusions. D'une part, l'embryon ne grandit pas au début. Pendant la segmentation, il conserve à peu près le volume de l'oeuf, car les divisions se font sans croissance entre elles. D'autre part, la fin du développement embryonnaire ne coïncide pas avec la fin du développement. Un têtard éclos poursuit un développement post-embryonnaire important, dont la métamorphose.

L'oeuf d'Amphibien et sa polarité

L'oeuf d'Amphibien est une grosse cellule, de l'ordre du millimètre à deux millimètres de diamètre selon les espèces. Il est polarisé avant même la fécondation, ce qui se voit à l'oeil nu.

Un hémisphère, dit animal, est sombre car sa couche superficielle contient des granules de pigment. L'hémisphère opposé, dit végétatif, est clair et contient l'essentiel des réserves vitellines. Cette répartition inégale du vitellus oriente tout le déroulement des premières étapes. Elle définit un axe animal-végétatif qui préfigure l'axe dorso-ventral et antéro-postérieur de l'embryon.

La pénétration du spermatozoïde a lieu dans l'hémisphère animal. Elle entraîne un léger déplacement de la couche superficielle pigmentée par rapport au cytoplasme profond. Chez certaines espèces, ce déplacement fait apparaître à l'opposé du point d'entrée une zone de pigmentation intermédiaire, visible en surface, qui marque le futur côté dorsal de l'embryon. La symétrie de l'oeuf, jusque-là de révolution autour de l'axe animal-végétatif, devient bilatérale.

La segmentation

La segmentation est une série de divisions mitotiques rapides du zygote, sans croissance. Le volume total reste constant, donc les cellules filles, appelées blastomères, sont de plus en plus petites. Le rapport entre le volume du noyau et celui du cytoplasme augmente à chaque division.

Chez l'Amphibien, les premiers plans de division sont ordonnés. Le premier sillon est méridien, il passe par les deux pôles. Le deuxième est également méridien et perpendiculaire au premier, ce qui donne quatre blastomères. Le troisième est latitudinal et décalé vers le pôle animal, à cause du vitellus qui gêne la division. Il en résulte quatre petits blastomères dans l'hémisphère animal et quatre gros dans l'hémisphère végétatif. La segmentation est donc complète mais inégale.

Les divisions se poursuivent et deviennent asynchrones. Une cavité apparaît et s'agrandit dans l'hémisphère animal, le blastocèle. L'embryon est alors une blastula, sphère creuse dont la paroi est formée de nombreuses cellules, épaisse du côté végétatif et mince du côté animal.

La gastrulation et les trois feuillets

La gastrulation est l'étape décisive. Elle met en place trois feuillets cellulaires primordiaux par des mouvements de cellules, et non par de nouvelles divisions massives.

Elle débute par l'apparition, à la surface de l'embryon du côté dorsal, d'une fente en forme de croissant. Cette fente est la lèvre dorsale du blastopore. Des cellules de surface s'y engagent vers l'intérieur et gagnent la profondeur. En même temps, les cellules de l'hémisphère animal s'étalent et recouvrent progressivement l'hémisphère végétatif.

Deux catégories de mouvements sont donc à distinguer. Un mouvement de recouvrement par étalement du feuillet superficiel, et un mouvement d'entrée des cellules à travers le blastopore, suivi d'une migration vers l'intérieur.

Le blastopore, d'abord réduit à une fente dorsale, s'étend latéralement puis ventralement et devient un anneau. Il entoure une zone de cellules claires chargées de vitellus qui n'ont pas encore été recouvertes, le bouchon vitellin, puis il se referme.

Pendant ce temps, une nouvelle cavité se creuse à l'intérieur de l'embryon, l'archentéron, qui est l'ébauche du tube digestif. Elle grandit aux dépens du blastocèle, qui se réduit puis disparaît.

À la fin de la gastrulation, l'embryon comporte trois feuillets emboîtés. L'ectoderme est le feuillet externe. Le mésoderme est le feuillet intermédiaire. L'endoderme est le feuillet interne et borde l'archentéron. Ces trois feuillets engendreront tous les tissus somatiques de l'organisme, et le raisonnement sur l'origine d'un organe consiste toujours à remonter au feuillet dont il dérive.

La neurulation

La neurulation met en place l'ébauche du système nerveux central à partir de l'ectoderme dorsal.

Ce territoire s'épaissit d'abord et forme une plaque allongée dans l'axe de l'embryon, la plaque neurale. Ses bords se relèvent en deux bourrelets qui encadrent une gouttière. Les bourrelets se rapprochent, se rejoignent sur la ligne médiane et fusionnent, ce qui ferme la gouttière en un tube. Ce tube neural s'enfonce sous l'ectoderme, qui se reconstitue au-dessus de lui en un feuillet continu, futur épiderme.

Sous le tube neural se différencie un cordon axial d'origine mésodermique, la chorde, qui est un caractère des Chordés. De part et d'autre, le mésoderme dorsal se segmente en blocs pairs et répétés, les somites, alignés le long de l'axe antéro-postérieur. Cette métamérisation est visible sur un embryon entier observé de profil.

L'embryon, jusque-là sphérique, s'allonge nettement. Le stade correspondant est la neurula.

L'organogenèse

L'organogenèse est la formation des organes à partir des territoires mis en place précédemment. C'est de loin l'étape la plus longue.

Les principales filiations sont à connaître. L'ectoderme donne l'épiderme et, par le tube neural, l'encéphale et la moelle épinière, ainsi que les cellules qui se détachent de ses bords et migrent au loin. Le mésoderme donne la chorde, puis à partir des somites les muscles squelettiques, le squelette axial et le derme, et à partir des régions plus latérales l'appareil circulatoire, les reins et les enveloppes des cavités internes. L'endoderme donne l'épithélium du tube digestif et celui des organes qui bourgeonnent à partir de lui, dont l'appareil respiratoire.

L'organogenèse comprend aussi la formation des bourgeons de membres, point de départ du chapitre suivant. Elle s'achève, pour la période embryonnaire, à l'éclosion ou à la naissance.

Les processus cellulaires à l'oeuvre

Quelle que soit l'étape considérée, un petit nombre de processus cellulaires suffit à rendre compte des transformations observées. Le programme en retient cinq.

La prolifération, par mitose, augmente le nombre de cellules. Elle est très rapide pendant la segmentation, plus localisée ensuite.

Les changements de forme des cellules déforment les feuillets. Lorsque des cellules voisines se rétrécissent toutes du même côté, le feuillet qu'elles constituent se courbe. C'est ce qui explique le creusement d'une gouttière ou l'invagination d'une paroi.

La mobilité cellulaire concerne des cellules isolées ou des ensembles de cellules qui se déplacent de façon coordonnée. Elle est responsable des mouvements de gastrulation et de la migration de cellules issues des bords de la plaque neurale.

La différenciation donne aux cellules leurs caractères spécialisés, structure, contenu et fonction.

La mort cellulaire programmée élimine des cellules à des endroits et à des moments précis. Elle sculpte les structures en supprimant de la matière, ce qui est une manière de construire tout aussi importante que la prolifération.

Le lignage cellulaire et les marquages

Le lignage cellulaire est l'ensemble des cellules descendant d'une cellule donnée. Établir un lignage, c'est répondre à la question du devenir d'une cellule ou d'un territoire.

La méthode repose sur le marquage. On applique une marque durable et non toxique sur un groupe de cellules à un stade donné, puis on observe où se retrouve la marque aux stades ultérieurs. La marque peut être un colorant vital appliqué localement, une greffe de cellules provenant d'un donneur reconnaissable, ou un traceur injecté dans une cellule.

Les conditions de validité doivent être énoncées. La marque ne doit pas diffuser vers les cellules voisines, elle ne doit pas perturber le développement, et elle doit se transmettre aux cellules filles.

Deux types de résultats s'en déduisent. Si l'on marque de nombreux territoires sur une blastula et que l'on suit chacun d'eux, on établit une carte des territoires présomptifs, c'est-à-dire une représentation de l'embryon précoce sur laquelle est indiqué ce que deviendra chaque région. Si l'on suit la position de la marque au cours de la gastrulation, on caractérise les mouvements cellulaires, leur direction, leur amplitude et leur chronologie. Ce sont les marquages qui ont montré que des cellules d'abord situées en surface se retrouvent à l'intérieur de l'embryon.

Exemples et organismes de référence

L'Amphibien est le matériel imposé par le programme. Son oeuf est gros, visible à l'oeil nu, pigmenté d'un seul côté, et le développement est externe, ce qui permet d'observer toute la série des stades sans dissection. Les ordres de grandeur utiles sont un oeuf d'environ un à deux millimètres, des divisions de segmentation d'abord très rapides, de l'ordre de la dizaine de minutes à l'heure selon l'espèce et la température, et une durée de quelques jours entre la fécondation et l'éclosion d'une larve nageuse.

Les stades typiques à reconnaître sont les suivants. Un stade à deux, quatre puis huit blastomères, où les sillons sont visibles en surface. Une blastula, sphère d'aspect granuleux dont la coupe montre le blastocèle. Une jeune gastrula, reconnaissable à la fente du blastopore dorsal, puis une gastrula âgée à bouchon vitellin. Une neurula, embryon allongé dont la vue dorsale montre les bourrelets neuraux et la gouttière. Un bourgeon caudal et un jeune têtard, où l'on distingue la tête, les somites en série et la queue.

Sur une coupe transversale de neurula, l'organisation est très caractéristique et facile à décrire, de haut en bas le tube neural, la chorde immédiatement en dessous, les somites de part et d'autre, l'endoderme et la cavité digestive en position ventrale, l'ectoderme entourant le tout.

Méthodes et savoir-faire

Identifier un stade sur un embryon observé en entier. Le raisonnement s'appuie sur des critères externes, forme générale, présence de sillons, présence d'un blastopore et son aspect, présence de bourrelets neuraux, allongement, apparition de bourgeons. Il faut annoncer le critère avant la conclusion.

Identifier un stade sur une coupe. Les critères sont internes, présence et position d'une cavité, nombre de couches cellulaires, présence d'un tube neural et d'une chorde, segmentation du mésoderme. La taille des cellules est aussi informative, puisqu'elle diminue régulièrement pendant la segmentation.

Réaliser un schéma d'interprétation. Une convention de couleurs constante pour les trois feuillets rend les schémas immédiatement lisibles et doit être maintenue d'un stade à l'autre.

Exploiter des données de marquage. La démarche consiste à décrire précisément la position initiale de la marque, sa position finale, puis à en déduire soit un devenir, soit un déplacement. Il ne faut conclure que sur ce que la marque montre, et signaler les limites de l'expérience.

Distinguer avec rigueur ce qui relève de la description et ce qui relève de l'explication. Dans ce chapitre, on décrit des transformations et on nomme les processus cellulaires impliqués, sans exposer de mécanisme moléculaire, que le programme réserve au chapitre suivant.

Ce qu'il faut savoir mobiliser en colle et à l'écrit

1. La frise chronologique des quatre étapes avec, pour chacune, le stade d'arrivée nommé et un critère morphologique de reconnaissance.
2. Les schémas en coupe des stades blastula, gastrula et neurula, avec blastocèle, archentéron, blastopore, tube neural, chorde et somites.
3. La série des trois premiers plans de segmentation chez l'Amphibien et l'explication du décalage du troisième par la répartition du vitellus.
4. Le tableau des dérivés des trois feuillets, avec au moins trois dérivés par feuillet.
5. La description des mouvements de gastrulation, recouvrement et entrée par le blastopore, et la façon dont un marquage les met en évidence.
6. La liste des cinq processus cellulaires, chacun illustré par un exemple précis pris dans le développement.
7. Piège fréquent, dire que l'embryon grossit pendant la segmentation. Le volume reste constant, ce sont les cellules qui deviennent plus petites.
8. Piège fréquent, confondre le blastocèle et l'archentéron, ou le blastopore et la bouche. Le blastocèle précède l'archentéron et régresse quand celui-ci se forme.

Notions et mécanismes clés

• Développement embryonnaire : de la fécondation à l'éclosion ou à la naissance. La croissance larvaire et la métamorphose relèvent du développement post-embryonnaire.
• Axe animal-végétatif : axe de polarité de l'oeuf non segmenté, lisible au gradient de pigment et de vitellus.
• Croissant gris : bande de pigmentation intermédiaire visible chez la grenouille, du côté opposé à l'entrée du spermatozoïde. Elle résulte d'une rotation de la couche corticale et repère le futur côté dorsal.
• Segmentation totale et inégale : les sillons traversent tout l'oeuf, mais les blastomères animaux sont plus petits que les blastomères végétatifs.
• Rapport nucléocytoplasmique : volume du noyau sur volume du cytoplasme. Il augmente à chaque division : le cytoplasme est réparti entre les cellules filles sans croissance, alors que chacune reçoit un noyau complet, le génome ayant été répliqué avant la mitose.
• Zone marginale : anneau équatorial de la blastula, entre le toit animal et le plancher végétatif. Elle contient l'essentiel du mésoderme présomptif.
• Blastopore : lèvre dorsale d'abord, puis lèvres latérales et ventrale, enfin anneau autour du bouchon vitellin.
• Épibolie : étalement et amincissement du feuillet animal, qui recouvre l'embryon.
• Invagination : creusement initial de la paroi au niveau de la lèvre dorsale.
• Involution : enroulement de cellules autour des lèvres du blastopore, qui passent de la surface à la profondeur.
• Convergence-extension : rapprochement des cellules vers la ligne médiane dorsale et allongement dans l'axe antéro-postérieur.
• Archentéron : cavité délimitée par l'endoderme, ébauche de la lumière du tube digestif. Chez les Deutérostomiens, le blastopore donne la région anale et la bouche se forme secondairement.
• Crêtes neurales : cellules issues des bords de la plaque neurale, qui quittent l'ectoderme et migrent. Elles donnent notamment les cellules pigmentaires et les ganglions nerveux périphériques.
• Mésoderme de la neurula, du dos vers le ventre : chorde, somites, pièce intermédiaire, lame latérale. La lame latérale se clive en une couche externe et une couche interne qui bordent la cavité générale, le coelome.
• Somite : il se subdivise en sclérotome, qui donne les vertèbres, et en dermomyotome, qui donne le derme dorsal et les muscles squelettiques.
• Lignage : ensemble des descendants d'une cellule. Un clone est le lignage d'une cellule unique marquée.
• Carte des territoires présomptifs : représentation du devenir normal de chaque région de l'embryon précoce. Elle décrit un devenir, pas une potentialité.

Chaînes de raisonnement

Du vitellus à la segmentation inégale. Le vitellus est concentré au pôle végétatif, où il freine la formation du sillon de division. Le troisième sillon, latitudinal, se place donc au-dessus de l'équateur. Il en résulte quatre petits blastomères animaux et quatre gros végétatifs, puis une blastula dont le blastocèle est excentré du côté animal.

Du volume constant à la taille des cellules. Pendant la segmentation, l'embryon ne se nourrit pas et ne grandit pas. Chaque division partage donc un volume fixe entre un nombre croissant de cellules. La taille des blastomères diminue, le rapport nucléocytoplasmique augmente, et la taille des cellules devient un critère pour dater un stade.

Du marquage de surface à la notion de mouvement. Une marque appliquée en surface près de la lèvre dorsale se retrouve plus tard en profondeur. Les cellules sont donc passées de la surface à l'intérieur. La gastrulation réorganise des cellules existantes, elle ne crée pas les feuillets internes par divisions sur place.

Du blastopore à la disparition du blastocèle. Les cellules qui entrent par le blastopore délimitent une nouvelle cavité, l'archentéron. En grandissant, l'archentéron repousse le plancher végétatif et comprime le blastocèle. Sur une coupe sagittale de gastrula âgée, les deux cavités coexistent, et c'est ce stade intermédiaire que le colleur demande souvent de schématiser.

De la gastrulation à la neurulation. À la fin de la gastrulation, le mésoderme dorsal et la future chorde sont placés sous l'ectoderme dorsal. C'est cet ectoderme qui devient la plaque neurale. On décrit ici cette superposition sans l'expliquer, car les interactions entre territoires ne sont pas exigibles dans cette partie.

Du feuillet à l'organe. Pour dire d'où vient un organe, on remonte au territoire puis au feuillet. Les muscles d'un membre viennent des somites, son squelette vient de la lame latérale, son revêtement de l'ectoderme. C'est exactement le raisonnement mobilisé dans le chapitre sur le bourgeon de membre.

Devenir n'est pas destin. Une carte de territoires présomptifs dit ce que devient une région dans un embryon intact. Elle ne dit pas ce que cette région deviendrait si on la déplaçait. Conclure d'un marquage à une détermination est une erreur de raisonnement que le jury sanctionne.

Exemples et références à connaître

1. Xénope (Xenopus laevis) : oeuf d'environ 1,2 à 1,4 millimètre, premier sillon environ une heure et demie après la fécondation vers 22 °C, puis une division toutes les trente minutes environ. Blastula de plusieurs milliers de cellules en quelques heures, éclosion vers deux jours.
2. Table de stades de Nieuwkoop et Faber pour le Xénope : numérotation de référence. Vers le stade 10, lèvre dorsale. Vers le stade 12, bouchon vitellin. Vers le stade 20, tube neural fermé. Vers le stade 35, éclosion. Utile pour lire un document, inutile à apprendre par coeur.
3. Grenouille rousse : ponte printanière en eau froide, développement de plusieurs jours à quelques semaines. Croissant gris bien visible, d'où son usage classique en observation.
4. Urodèles, tritons, pleurodèle et axolotl : gros oeufs faciles à manipuler, matériel des marquages historiques.
5. Walther Vogt, années 1920 : colorants vitaux, bleu de Nil et rouge neutre, déposés à l'aide de petits fragments de gélose imprégnés. Il en tire la première carte des territoires présomptifs d'Amphibien et la description des mouvements de gastrulation.
6. Traceurs injectés : dextrans couplés à un fluorochrome, injectés dans un blastomère unique. Leur grande taille les empêche de passer dans les cellules voisines par les jonctions communicantes, donc la marque reste dans le clone. Ces traceurs ont permis d'établir des cartes au stade 32 blastomères chez le Xénope.
7. Chimères caille-poulet de Nicole Le Douarin : le noyau de caille porte une masse d'hétérochromatine reconnaissable. En greffant des territoires de caille dans un embryon de poulet, on suit leur devenir. Ces chimères ont montré que les muscles du membre viennent des somites et elles ont permis de suivre les crêtes neurales.
8. Mort cellulaire programmée : élimination des cellules entre les doigts de la patte du poulet, absente dans la palmure du canard. La régression de la queue du têtard existe aussi, mais elle a lieu à la métamorphose, donc après la période embryonnaire.
9. Ordre de grandeur de la segmentation : un oeuf d'un millimètre divisé en quelques milliers de cellules donne des blastomères de quelques dizaines de micromètres en moyenne.

Techniques

Identifier un stade sur un embryon entier

Suivre un arbre de décision et nommer chaque critère. D'abord, y a-t-il des sillons visibles ? Si oui et peu nombreux, stade à 2, 4 ou 8 blastomères. Sinon, observer la surface granuleuse d'une blastula. Ensuite, y a-t-il un blastopore ? En fente dorsale, jeune gastrula. En anneau avec une tache claire, gastrula à bouchon vitellin. Enfin, une plaque et des bourrelets dorsaux signalent une neurula, un allongement avec queue marque le bourgeon caudal.

Mini-exemple. Un embryon sphérique porte une petite tache claire entourée d'un sillon circulaire. Critère, un blastopore en anneau autour d'un bouchon vitellin. Conclusion, gastrula âgée.

Lire une coupe

Commencer par l'orientation. Une coupe sagittale montre l'axe dorso-ventral et l'axe antéro-postérieur, une coupe transversale montre le dos, le ventre et les deux côtés. Compter ensuite les cavités et les couches. Une cavité excentrée côté animal indique une blastula. Deux cavités, dont une qui s'ouvre par le blastopore, indiquent une gastrula. Un tube dorsal et un cordon plein en dessous indiquent une neurula ou un stade ultérieur.

Le schéma d'interprétation

Titre, orientation écrite (dorsal, ventral, antérieur, postérieur), traits de légende parallèles, code couleur constant. La convention la plus répandue est bleu pour l'ectoderme, rouge pour le mésoderme, jaune pour l'endoderme. Indiquer l'échelle ou au moins l'ordre de grandeur. Une coupe transversale de neurula tient en huit légendes : épiderme, tube neural, crêtes neurales, chorde, somite, lame latérale, endoderme, archentéron.

Exploiter un marquage en quatre temps

Un, position initiale de la marque, avec le stade et la région. Deux, position finale, avec le stade et le tissu. Trois, conclusion limitée, soit un devenir, soit un déplacement. Quatre, limites : diffusion, dilution, effet du marqueur, nombre d'embryons.

Mini-exemple. Une tache au pôle animal d'une blastula se retrouve dans l'épiderme ventral de la neurula, étalée sur une grande surface. Devenir, ectoderme épidermique. Mouvement, étalement de type épibolie.

Calculer sur la segmentation

À volume total constant, n divisions synchrones donnent 2 puissance n cellules. Le volume moyen est divisé par 2 puissance n, le diamètre moyen par la racine cubique de ce nombre. Toujours préciser que c'est une moyenne, puisque la segmentation est inégale.

Construire un plan de synthèse

Deux gabarits possibles. Le plan chronologique suit les quatre étapes et convient aux sujets descriptifs. Le plan thématique convient aux sujets transversaux : processus cellulaires, feuillets, méthodes de suivi. Dans les deux cas, chaque partie doit contenir un schéma et un exemple d'Amphibien.

Sujets classiques traités

Choisis ton niveau. Difficulté indicative ; les exercices qui se suivent restent dans l'ordre.

Erreurs fréquentes