Atelier 1 : L’endosymbiose : exemple de la salamandre chlorophyllienne

Doc 1 : La salamandre : mode de vie et développement

Les salamandres sont des vertébrés qui appartiennent au groupe des batraciens. Ces animaux ont la peau lisse et humide. L'air est absorbé en partie par la peau. La salamandre est dotée de glandes qui humidifient sa peau. C'est un animal nocturne qui passe ses journées sous les pierres ou enfoui dans la vase. Elle se nourrit d'insectes, de vers, d'écrevisses et de petits poissons. Elle repère ses proies grâce à son odorat et sa vue. Avant de s'endormir pour l'hiver elle s'accouple mais la femelle garde les œufs fécondés et ne les pondra qu'au printemps.

Photographie

de salamandre maculée (Ambystoma maculatus)

Cycle de développement d’un batracien. Depuis la fécondation jusqu’à l’éclosion, les œufs passent par de très nombreux stades

(de 1 à 50)

Doc 2 : La salamandre, un animal extrêmement étonnant

La salamandre est un animal auquel se sont rattachées de nombreuses légendes : elle était ainsi réputée vivre dans le feu et s'y baigner, et ne mourir que lorsque celui-ci s'éteignait. Elle a aussi symbolisé la foi qui ne peut être détruite. La salamandre fut aussi l’emblème de certains seigneurs tels François Ier . En dehors des propriétés plus ou moins mystérieuses qu’on lui prête la salamandre n’en reste pas moins un

animal tout à fait admirable (voir le livre le secret de la salamandre, d’Axel Khan). Sur terre, elle se promène

allègrement à l'aide de ses courtes pattes. Dans l'eau, c'est un vrai poisson. Mais surtout, c'est son étonnante

capacité de régénération qui fascine et stimule la curiosité des scientifiques. Ainsi si on coupe une patte à la

salamandre, elle repousse jusqu’à ce que dans quatre mois, il n’y paraisse plus rien!

Mais ses capacités extraordinaires ne s’arrêtent pas là !

Doc 3 : Association entre l'algue Oophila amblystomatis et la salamandre fouisseuse Ambystoma maculatum.

Ambystoma maculatum ou salamandre fouisseuse est une espèce endémique d’Amérique du Nord qui pond des

œufs d’un beau vert émeraude. Cette couleur provient d’une algue unicellulaire, Oophila amblystomatis, qui se

déploie sur leur enveloppe mais aussi de façon bien plus intime, à l’intérieur même des cellules d’embryons.

Autrement dit, les deux organismes vivent en endosymbiose.

« Et c’est ici que les choses deviennent scientifiquement palpitantes : ce processus d’endosymbiose est ni plus ni

moins à la source de l’explosion de la vie sur Terre ! Il est même à l’origine des eucaryotes, ces organismes dont

les cellules ont un noyau…et donc autant dire de tout le vivant, excepté les bactéries ! Car c’est en « avalant » des

bactéries, il y a environ 2 milliards d’années, que les cellules d’organismes plus complexes ont pu intégrer divers

organites, comme les mitochondries ou les chloroplastes, récupérant ainsi, au terme d’une lente évolution, la

capacité à changer la lumière en nourriture ou la nourriture en énergie qui n’appartenait jusqu’ici qu’à des êtres

unicellulaires. Pour autant, l’endosymbiose entre l’algue et notre salamandre était considérée comme

improbable. Les vertébrés se caractérisent par un système immunitaire prompt à éliminer tous matériaux

biologiques étrangers. Alors comment l’algue a-t-elle réussi à s’introduire dans la cellule sans être expulsée par ce

gardien réputé pour son efficacité ? Oophila amblystomatis a une astuce : elle s’installe durablement dans les

cellules de l’embryon avant même que le système immunitaire ne se mette ne place ! Des traces d’algue ont en

effet été détectées dans le système reproducteur de la salamandre et dans les œufs à des stades très précoces,

ce qui laisse penser qu’ Oophila amblystomatis se transmet d’une génération à l’autre au moment de la ponte,

dupant ainsi son gardien en le devançant! » D’après Science et Vie Novembre 2011.

Doc 4 : La symbiose une association permanente entre deux organismes d’espèces différentes qui se traduit par

des effets bénéfiques pour l’un comme pour l’autre.

A-

La présence de l'algue chlorophyllienne Oophila dans l'œuf de la Salamandre en modifie les conditions physico-chimiques : les graphiques suivants traduisent les variations de la quantité de dioxygène (O2) dans l'œuf. - En absence de l'algue chlorophyllienne Oophila, on enregistre aucune variation de la quantité de dioxygène (O2) à l'intérieur des œufs de la Salamandre, quelques soient les conditions d'éclairement. On rappelle qu'un être vivant chlorophyllien éclairé est capable de réaliser la photosynthèse qui se traduit, sous l'action de la lumière, par les échanges gazeux suivants : consommation du dioxyde de carbone (CO2) et dégagement de dioxygène (O2).

- 3 lots de 300 œufs de Salamandre présentant l'association avec l'algue Oophila sont placés dans des conditions différentes : le premier lot est élevé en absence de lumière ; le second avec une alternance de 12 H de lumière et de 12 H d'obscurité ; le troisième lot est placé dans un environnement avec 24H de lumière par jour. - Si l'embryon est extrait de l'œuf et qu'il ne reste que la masse gélatineuse, les algues ne se multiplient pas. Les chercheurs pensent que les algues Oophila ont besoin des déchets produits par l'embryon (déchets azotés, CO2...) pour se multiplier.

Durée du développement embryonnaire de 300 œufs de salamandre en fonction des conditions d’éclairement

ATELIER 2 : L’importance des gènes impliqués dans le développement dans la diversification des êtres vivants

Document 1 : Des gènes maîtres du développement « Tous les animaux se développent à partir d'une cellule unique qui en se divisant, produit des millions de cellules embryonnaires. Comme par enchantement, ces cellules s'arrangent en un organisme complet, où les os, les muscles, le cerveau et la peau s'intègrent dans un tout harmonieux. Le processus fondamental est le même, mais des organismes différents se forment. Au vu des différences entre homme, souris, mouche et vers, les embryologistes pensaient que des mécanismes génétiques tout aussi variés commandaient le développement embryonnaire de ces différentes espèces. Aujourd'hui ils reconnaissent qu'une famille de gènes homologues (des gènes Hom chez les invertébrés et les gènes Hox chez les vertébrés) commandent les phases de développement similaires chez tous les embryons d'animaux. »

W.McGinnis et M.Kuziora, « les gènes du développement »,

Pour la science, dossier hors série, « l'évolution », janvier 1997.

Document 2 : Le gène Hox D13 dans la formation du membre chez le poisson-zèbre et la souris. Les membres des vertébrés tétrapodes sont typiquement constitués de 3 fragments successifs : humérus / radius-cubitus / doigts. La structure des nageoires des poissons est différente : la nageoire est constituée que d'une partie basale portant des rayons flexibles. Une étude expérimentale utilisant des techniques de marquage génétique montre que ce développement est gouverné chez les deux espèces par des gènes du développement notamment le gène Hox D13. La comparaison des séquences du gène Hox D13 chez les deux espèces montre un fort degré de similitude. Cependant au cours de la formation du membre postérieur chez ses deux espèces on peut observer des différences d'expression du gène Hox D13.

Marquage spécifique

de l'ARNm du gène de développement HoxD13 lors de la

phase 2 chez le poisson zèbre (en haut) et chez la

souris (en bas).

Chez les deux espèces, la formation des membres débute par un bourgeonnement. Suivent ensuite deux phases plus ou moins longues en fonction des espèces. Durant cette phase 1 sera mis en place la partie basale de la nageoire et l'humérus/ radius-cubitus. Durant deuxième phase, chez la souris aura lieu la mise en place des doigts et chez le poisson-zèbre la mise en place des rayons de la nageoire. On peut suivre l'expression du gène Hox D13 au cours de ces deux phases par marquage coloré. Les zones grisées correspondent au domaine d'expression du gène Hox D13.

Document 3 : Le gène Bmp4 dans la différenciation de la taille du bec chez les pinsons. Les pinsons de Darwin, connus aussi sous le nom de pinsons des Galápagos, font partie de treize espèces différentes que Charles Darwin a observées et capturées lors de son escale de cinq semaines dans l’archipel des Galápagos en 1835.

En 2006, pour trouver les mécanismes génétiques sous-jacents à l'existence de bec caractéristique de chaque espèce, Arhat Abzhanov et ses collègues de l’Université de Harvard ont examiné de nombreux gènes qui interviennent dans le développement du bec chez les oisillons des pinsons. Les chercheurs ont découvert que les différences de formes du bec coïncidaient avec différentes expressions du gène Bmp4.

Pour vérifier l'influence de ce gène, des chercheurs ont produit des embryons de poulet exprimant de

façon anormalement élevée ou basse le gène Bmp4. La tête de ces embryons a été photographiée au

10ème jour après la fécondation. Les flèches indiquent la largeur ou l'épaisseur du bec.

Ces oiseaux sont tous de petite taille, entre 10 et

20 cm de longueur et les différences les plus

importantes entre ces espèces portent sur taille

et la forme de leurs becs.

Voici 4 dessins représentant les têtes de 4

espèces différentes de pinsons.

ATELIER 3 : L’hybridation suivie de polyploïdisation, source de

diversification du vivant

Atelier 4 : LE CHANT DES PINSONS DES ARBRES

Le pinson des arbres a une répartition en mosaïque dans le grand sud-ouest de la France dans les zones forestières.

Comme de nombreux oiseaux, le pinson des arbres chante.

Le chant participe à la séduction ou, probablement plus finement, à déterminer une femelle à faire son choix nuptial pour tel ou tel mâle chanteur qui, s'il chante mieux, voudrait qu'il dispose d'un bon potentiel génétique ou soit en meilleure santé. Le chant participe aussi à toute une série d'autres signaux dont la défense du territoire.

Doc 1 : enregistrements du chant des pinsons dans différentes conditions.

Enregistrements 1 : Le chant des pinsons des arbres dans différentes régions du sud-ouest

Vous pouvez écouter certains de ces chants dans le dossier « pinson »

Quelques sonogrammes de pinsons de différentes régions du sud-ouest de la France (d’après Nathan TS 2012)

REMARQUE : Si un pinson change de région, il est chassé par les autres oiseaux.

Enregistrements 2 : le chant de pinsons issus d’une même zone

Le répertoire est l'ensemble des différents chants appris par un même individu. Les pinsons de la région possèdent un répertoire individuel moyen de 2,1 chants.

Sur les 859 pinsons enregistrés dans le Grand Sud-Ouest de 1988 à 1992, et déduction faite des mêmes individus enregistrés lors de printemps différents, seuls 12 oiseaux présentaient des répertoires identiques (d'après leurs chants respectifs, extraits des bandes enregistrées sur le terrain). Chaque oiseau pouvait néanmoins être distingué des autres par la séquence des chants utilisés, caractéristique individuelle conservée sur les enregistrements originels, ainsi que par l'examen attentif des sonogrammes.

Exemple de sonogramme montrant une séquence de 3 chants successifs (Râle d’eau numéro 119)

Doc 2 : quelques expériences réalisées sur des pinsons en captivité

1. Des jeunes ont été élevés soit avec un adulte de la même espèce, soit seuls, soit après avoir été rendus sourds. Le tableau suivant montre les sonogrammes obtenus dans les différentes situations ainsi que le sonogramme du chant de l’adulte.

D’après Nathan TS 2012

2. De jeunes pinsons élevés avec un adulte d’une autre espèce acquièrent le chant de cette espèce.

3. Lorsque de jeunes pinsons, après avoir été placé en présence d’un adulte, sont changés d’ambiance sonore (présence d’autres adultes), ils peuvent copier les phrases des différents adultes et même les recombiner.

Atelier 5 : L’origine virale du placenta

Doc 1 : Le placenta

Le placenta est un organe fœtal mis en place pendant la grossesse. Le placenta apporte à l'embryon tout ce dont il a besoin (oxygène, eau, nutriments) et se charge d'éliminer le gaz carbonique et les déchets (urée, etc.). Il contrôle également les niveaux hormonaux durant la grossesse et protège l’embryon contre toute réponse innée et immunitaire adaptative de la mère. Du point du vue immunologique, le placenta est donc un corps étranger que la mère tolère pendant la grossesse.

C’est lorsque l’embryon est au stade blastocyste ( 6-7 jours après la fécondation) que la nidation a lieu.

Evolution de l’ovule fécondé

L’embryon humain juste avant sa nidation dans la paroi utérine est constitué par un massif cellulaire, à partir duquel se formera l’organisme, et d’une couche cellulaire externe, le trophoblaste. L’embryon s’implante dans la paroi grâce à son trophoblaste qui prolifère. Surtout, les membranes des cellules du trophoblaste fusionnent, ce qui en fait une couche multinucléée, le syncytiotrophoblaste, à l’origine du placenta par la suite. Dans ce trophoblaste, les chercheurs ont identifié deux protéines, les Syncytines 1 et 2 impliquées dans la fusion cellulaire conduisant au syncytiotrophoblaste. La production de syncytines n’est pas propre aux primates. On a mis en évidence l’expression de deux Syncytines dites A et B dans le placenta de rongeurs (souris, rats) et des expériences d’invalidation du gène de la syncytine A ont montré qu’en son absence les embryons meurent à mi-gestation. L’architecture placentaire de ces embryons est perturbée entraînant une diminution des échanges foeto-maternels, un retard de croissance, et finalement la mort de l’embryon.

Photographie d’un fœtus relié par son cordon ombilical au placenta

Futur embryon

Futur placenta

Doc 2 : la notion de rétrovirus

Structure simplifiée d’un rétrovirus

Les étapes du cycle viral peuvent être résumées ainsi : - fixation du virus à une cellule de l’hôte grâce aux protéines d’enveloppe (protéines env) qui se lient à des récepteurs membranaires cellulaires ; cela entraîne la fusion de l’enveloppe virale avec la membrane cellulaire et l’entrée de la capside virale dans la cellule ; - décapsidation et libération du génome viral dans la cellule ; - rétro-transcription de l’ARN viral en ADN grâce à l’enzyme transcriptase inverse, transfert de l’ADN viral dans le noyau et incorporation dans l’ADN de la cellule hôte ; - expression de l’ADN viral, ce qui conduit finalement à la production de nouvelles particules virales qui bourgeonnent à la surface de la cellule parasitée et sont libérées. L’enveloppe virale est donc d’origine cellulaire. Les particules virales produites peuvent infecter d’autres cellules.

Schéma simplifié du cycle rétroviral.

Doc 3 : Les retrovirus endogènes humains

Un rétrovirus est constitué de : - une enveloppe dans laquelle sont enchâssées des protéines (glycoprotéines de surface) ; - une capside formée d’un assemblage de protéines ; - le génome viral en ARN à l’intérieur de la capside avec des enzymes, notamment la transcriptase inverse caractéristique des rétrovirus.

Le génome des rétrovirus comprend trois gènes : le gène Gag qui code les protéines de la capside, le gène Pol qui code les enzymes indispensables à la reproduction du virus et le gène Env qui code les protéines d’enveloppe.

« Ce sont des virus qui ont infecté nos ancêtres, pour certains il y a des millions d'années, et dont le génome a été intégré au nôtre. Il ne reste de la plupart d'entre eux que des bouts de gènes incomplets, même si quelques milliers de séquences sont presque intactes. Tous ensemble, ces fragments représentent près de 8 % de notre ADN. Ils sont transmis de génération en génération mais ne sont plus actifs, ou quasiment : ce sont en quelque sorte des parasites génétiques ». Thierry Heidmann

Lorsque le rétrovirus insère son génome dans celui de l’hôte. On donne le nom de provirus à ce génome viral intégré dans celui de la cellule hôte.

Le séquençage complet du génome humain et celui de très nombreux virus ont permis de localiser des restes de provirus endogènes, témoins d’infections passées de nos cellules. Par exemple, des gènes Env de virus se retrouvent sur de multiples chromosomes.

Localisation sur les chromosomes humains des gènes Env de virus

Comparer à l’aide d’Anagène, les séquences de syncytine 1 avec celle de la protéine env du rétrovirus exogène MSRV