Faculté de Médecine Pierre et Marie CurieFaculté de Médecine Pierre et Marie CuriePCEM 1 – Année 2004-2005PCEM 1 – Année 2004-2005

Cours de Biologie du DéveloppementCours de Biologie du Développement

La Première Semaine du Développement.La Première Semaine du Développement.

L’embryon préimplantatoireL’embryon préimplantatoire

Jacqueline MandelbaumJacqueline Mandelbaum

La segmentation (J1-J4)La segmentation (J1-J4)

- stade des clivages ( J1-J3)- stade des clivages ( J1-J3)

- la morula ( J4) ; la compaction- la morula ( J4) ; la compaction Le blastocyste (J5-J6)Le blastocyste (J5-J6) L ’éclosion (J6-J7)L ’éclosion (J6-J7)

Pendant son séjour dans la trompe, l ’embryon subit une série de Pendant son séjour dans la trompe, l ’embryon subit une série de divisions cellulaires, appelées segmentation ou clivage, qui ne divisions cellulaires, appelées segmentation ou clivage, qui ne s ’accompagnent s ’accompagnent d ’aucune croissanced ’aucune croissance: la morula n ’est pas plus : la morula n ’est pas plus volumineuse que le zygote et l ’embryon reste inclus dans la ZPvolumineuse que le zygote et l ’embryon reste inclus dans la ZP

A chaque division, la taille des cellules diminue, partageant le A chaque division, la taille des cellules diminue, partageant le cytoplasme abondant du zygote entre les cellules filles ou cytoplasme abondant du zygote entre les cellules filles ou blastomèresblastomères

Le rapport cytoplasme/noyau élevéLe rapport cytoplasme/noyau élevé de l ’œuf fécondé est ainsi de l ’œuf fécondé est ainsi progressivement ramené à celui d ’une cellule somatique adulteprogressivement ramené à celui d ’une cellule somatique adulte

La première division de La première division de segmentation partage le segmentation partage le zygote humain zygote humain perpendiculairement à perpendiculairement à l ’équateur et dans l ’équateur et dans l ’alignement avec les l ’alignement avec les globules polaires.globules polaires.

Il en résulte deux Il en résulte deux blastomères de blastomères de taille similairetaille similaire

La deuxième La deuxième division est division est légèrement légèrement asynchroneasynchrone entre les entre les 2 blastomères. 2 blastomères. Le Le premier qui se divisepremier qui se divise le fait selon un plan le fait selon un plan perpendiculaire à perpendiculaire à l ’équateur ( II a)l ’équateur ( II a)

Le secondLe second le fera le fera selon un plan selon un plan passant par passant par l ’équateur (II b)l ’équateur (II b)

d ’où l ’orientation pyramidale caractéristique d ’où l ’orientation pyramidale caractéristique des blastomères du stade 4 cellulesdes blastomères du stade 4 cellules

Du fait de la légère Du fait de la légère asynchronie entre la asynchronie entre la division des deux division des deux premiers blastomères, on premiers blastomères, on peut observer un stade 3 peut observer un stade 3 cellules comprenant un cellules comprenant un gros et deux petits gros et deux petits blastomères ( et de blastomères ( et de même pour les stades même pour les stades ultérieurs) ultérieurs)

Cinétique de divisionCinétique de division

Pendant les premiers jours du développement embryonnaire les Pendant les premiers jours du développement embryonnaire les divisions se succèdent à un rythme caractéristique de l ’espèce : environ divisions se succèdent à un rythme caractéristique de l ’espèce : environ 1/ jour chez l ’humain1/ jour chez l ’humain

Expulsion du GP2: 2 heures après la fusion; formation des PN : 5-7h; Expulsion du GP2: 2 heures après la fusion; formation des PN : 5-7h; apposition: 17h; syngamie: 20h; stade 2 cellules à partie de 25-27 h; apposition: 17h; syngamie: 20h; stade 2 cellules à partie de 25-27 h; stade 4 cellules à J2; stade 8 cellules à J3; stade 16 cellules (morula) à stade 4 cellules à J2; stade 8 cellules à J3; stade 16 cellules (morula) à J4J4

La cinétique de division est le paramètre le plus représentatif de la La cinétique de division est le paramètre le plus représentatif de la qualité de l ’embryon préimplantatoirequalité de l ’embryon préimplantatoire. Ainsi, un embryon humain de . Ainsi, un embryon humain de 4 cellules à J2 (40-44 h post-insémination) a 2 fois plus de chances de 4 cellules à J2 (40-44 h post-insémination) a 2 fois plus de chances de s ’implanter et de donner naissance à un enfant qu ’un embryon plus s ’implanter et de donner naissance à un enfant qu ’un embryon plus lent ou plus rapide.lent ou plus rapide.

Un embryon qui ne subit aucune nouvelle division durant 24 heures ne Un embryon qui ne subit aucune nouvelle division durant 24 heures ne se divisera plus ; son développement est bloqué.se divisera plus ; son développement est bloqué.

L ’activation du génome embryonnaireL ’activation du génome embryonnaire

La participation maternelleLa participation maternelle

Comme dans toutes les espèces, le génome embryonnaire est au Comme dans toutes les espèces, le génome embryonnaire est au début inactif ( pas de transcription). Les premiers stades de début inactif ( pas de transcription). Les premiers stades de développement s ’effectuent donc en l ’absence de synthèse d ’ARNdéveloppement s ’effectuent donc en l ’absence de synthèse d ’ARN

Le conceptus dépend alors de son héritage maternel en ARN Le conceptus dépend alors de son héritage maternel en ARN messagers ( transcrits) et en protéines présents dans le cytoplasme messagers ( transcrits) et en protéines présents dans le cytoplasme ovocytaire et accumulés au cours de la période de croissance et au ovocytaire et accumulés au cours de la période de croissance et au cours de la maturation cytoplasmique finale. Toute altération des cours de la maturation cytoplasmique finale. Toute altération des réserves ovocytaires aura un retentissement sur le développement réserves ovocytaires aura un retentissement sur le développement de l ’embryonde l ’embryon

Le début du développement embryonnaire est ainsi la seule Le début du développement embryonnaire est ainsi la seule période de la vie d ’un individu qui soit régulée par les produits du période de la vie d ’un individu qui soit régulée par les produits du génome d ’un autre individu génome d ’un autre individu

L ’activation du génome embryonnaireL ’activation du génome embryonnaire

Cette dépendance ne dure pas. Pour un stade évolutif spécifique de Cette dépendance ne dure pas. Pour un stade évolutif spécifique de l ’espèce, la transcription est activée l ’espèce, la transcription est activée (y compris grâce à des protéines (y compris grâce à des protéines maternelles comme HMG1 (High Motility Group). maternelles comme HMG1 (High Motility Group). L ’embryon prend le L ’embryon prend le contrôle de son développementcontrôle de son développement

Cette transition materno-zygotique (MZT) prend place chez Cette transition materno-zygotique (MZT) prend place chez l ’humain entre les stades 4 et 8 cellulesl ’humain entre les stades 4 et 8 cellules ; chez la souris au stade 2; ; chez la souris au stade 2; chez le lapin entre les stades 8 et 16 celluleschez le lapin entre les stades 8 et 16 cellules

Les protéines nouvellement synthétisées le sont désormais par Les protéines nouvellement synthétisées le sont désormais par l ’embryon et, à partir de ce stade, si l ’on ajoute des inhibiteurs de l ’embryon et, à partir de ce stade, si l ’on ajoute des inhibiteurs de la transcription à son milieu de culture, son développement in vitro la transcription à son milieu de culture, son développement in vitro s ’arrête .s ’arrête .

Les ARN et les protéines maternelles sont détruits mais certains Les ARN et les protéines maternelles sont détruits mais certains persistent jusqu ’au stade blastocyste voire au-delà et influencent le persistent jusqu ’au stade blastocyste voire au-delà et influencent le développementdéveloppement

Il y a donc coexistence pendant la période préimplantatoire des 2 Il y a donc coexistence pendant la période préimplantatoire des 2 types d ’information génétique: maternelle et zygotique qui devient types d ’information génétique: maternelle et zygotique qui devient prépondérante. Les synthèses protéiques de l ’embryon ne subiront prépondérante. Les synthèses protéiques de l ’embryon ne subiront un accroissement quantitatif majeur qu ’à partir du stade un accroissement quantitatif majeur qu ’à partir du stade blastocysteblastocyste

Les anomalies des embryons en cours de clivageLes anomalies des embryons en cours de clivage La fragmentationLa fragmentation (ou séquestration de (ou séquestration de

fragments de cytoplasme dans l ’EPV ou fragments de cytoplasme dans l ’EPV ou entre les blastomères) est fréquente chez entre les blastomères) est fréquente chez l ’embryon humain. Elle s ’accompagne l ’embryon humain. Elle s ’accompagne d ’une réduction de viabilité si >20 % de d ’une réduction de viabilité si >20 % de son volumeson volume

Les anomalies chromosomiques Les anomalies chromosomiques atteignent 39%atteignent 39% des embryons de des embryons de morphologie et cinétique normales et morphologie et cinétique normales et issus de zygotes à 2 PN (80 % en cas de issus de zygotes à 2 PN (80 % en cas de fragmentation massive)fragmentation massive)

In vivo aussiIn vivo aussi, seuls 50% des oeufs , seuls 50% des oeufs fécondés sont viables. fécondés sont viables. La majorité des La majorité des embryons porteurs d’anomalies embryons porteurs d’anomalies chromosomiques ne s’implantent pas ou sont chromosomiques ne s’implantent pas ou sont éliminés après l’implantation. Ils représentent éliminés après l’implantation. Ils représentent 60% des fausses couches spontanées du 60% des fausses couches spontanées du premier trimestre qui surviennent elles-même premier trimestre qui surviennent elles-même dans 15% des cas. Finalement, 3% d ’enfants dans 15% des cas. Finalement, 3% d ’enfants naîtront porteurs d ’anomalies dont 0,6% naîtront porteurs d ’anomalies dont 0,6% chromosomiques.chromosomiques.

La morula ( J4) ; la compactionLa morula ( J4) ; la compaction

Jusqu ’au stade 8 Jusqu ’au stade 8 cellules, cellules, l ’individualisation des l ’individualisation des blastomères reste totale blastomères reste totale même si on observe même si on observe parfois des jonctions de parfois des jonctions de type desmosomes entre 2 type desmosomes entre 2 blastomèresblastomères

Les blastomères sont Les blastomères sont totipotentstotipotents

L ’embryon au stade 8 cellules L ’embryon au stade 8 cellules continue à se diviser et forme un continue à se diviser et forme un amas cellulaire ressemblant à amas cellulaire ressemblant à une petite mûre…la morulaune petite mûre…la morula

Des jonctions de divers types se Des jonctions de divers types se forment entre les blastomères forment entre les blastomères

Jonctions communicantesJonctions communicantes ou ou gap-junctions (perméables aux gap-junctions (perméables aux molécules < 1000 D), formées molécules < 1000 D), formées par l ’association de 6 molécules par l ’association de 6 molécules de connexine (connexon)de connexine (connexon)

Jonctions adhérentesJonctions adhérentes favorisant favorisant l ’association entre cellules ( rôle l ’association entre cellules ( rôle du Ca et de la E-cadhérine)du Ca et de la E-cadhérine)

Jonctions serréesJonctions serrées assurant assurant l ’étanchéitél ’étanchéité

Progressivement, les blastomères Progressivement, les blastomères périphériques de la morula périphériques de la morula adhèrent les uns aux autres par adhèrent les uns aux autres par leurs faces latérales, leur forme leurs faces latérales, leur forme arrondie s ’estompe, les limites arrondie s ’estompe, les limites entre les blastomères deviennent entre les blastomères deviennent indistinctes et la morula prend un indistinctes et la morula prend un aspect compactaspect compact

La compaction La compaction est initiée grâce à est initiée grâce à l ’action de la l ’action de la E-cadhérineE-cadhérine qui se qui se redistribue de la surface des redistribue de la surface des blastomères à la membrane blastomères à la membrane basolatérale des blastomères basolatérale des blastomères périphériques dans les zones de périphériques dans les zones de contact cellulaire où s ’établissent contact cellulaire où s ’établissent les jonctions adhérentes(Anticorps)les jonctions adhérentes(Anticorps)

La connexine 43La connexine 43 permet le maintien permet le maintien de la compaction ( souris invalidées)de la compaction ( souris invalidées)

Injection de jaune lucifer dans l ’embryon humain (B.Dale)

La morula compactéeLa morula compactée

La segmentation se poursuit dans la morula. La segmentation se poursuit dans la morula. Certains blastomères sont distribués au centre de Certains blastomères sont distribués au centre de la cellule et deviennent les la cellule et deviennent les blastomères internes, blastomères internes, plus petits, en contact avec les autres cellules par plus petits, en contact avec les autres cellules par toute leur surface, 10 à 12 dans un embryon de 32 toute leur surface, 10 à 12 dans un embryon de 32 cellules. Ils donneront le cellules. Ils donneront le bouton embryonnaire ou bouton embryonnaire ou masse cellulairemasse cellulaire interne (fœtus ) interne (fœtus )

Les Les blastomères périphériquesblastomères périphériques présentent leur présentent leur face libre à la ZP, se polarisent ( microvillosités face libre à la ZP, se polarisent ( microvillosités apicales, noyau . Ils seront à l ’origine du apicales, noyau . Ils seront à l ’origine du trophectoderme (trophectoderme ( placenta)placenta)

Le devenir des cellules ne dépend que de leur Le devenir des cellules ne dépend que de leur position ( expériences chez l ’animal ; blastomères position ( expériences chez l ’animal ; blastomères isolés marqués et placés à l ’extérieur ou à isolés marqués et placés à l ’extérieur ou à l ’intérieur d ’une morula donnent soit le l ’intérieur d ’une morula donnent soit le trophectoderme, soit la MCItrophectoderme, soit la MCI

La cavitationLa cavitation

La morula, à partir de J4, commence à La morula, à partir de J4, commence à adsorber des liquides, d ’abord dans des adsorber des liquides, d ’abord dans des vacuoles intra-cytoplasmiques puis dans les vacuoles intra-cytoplasmiques puis dans les espaces entre les blastomères et du fait des espaces entre les blastomères et du fait des jonctions tendance à s ’accumuler au centre jonctions tendance à s ’accumuler au centre de la morulade la morula

L ’afflux de liquide est du en partie à L ’afflux de liquide est du en partie à l ’activité de la Na +/K- ATPase avec l ’activité de la Na +/K- ATPase avec mouvement actif de Na vers l ’intérieur et mouvement actif de Na vers l ’intérieur et afflux passif d ’eau par mécanisme osmotiqueafflux passif d ’eau par mécanisme osmotique

Sous l ’influence de la pression hydrostatique Sous l ’influence de la pression hydrostatique de ces liquides, une cavité se crée dans la de ces liquides, une cavité se crée dans la morulamorula

Le blastocyste (J5-J6)Le blastocyste (J5-J6)

L ’embryon a maintenant 32 L ’embryon a maintenant 32 cellules. Il se présente comme une cellules. Il se présente comme une sphére creuse avec une cavité sphére creuse avec une cavité centrale remplie de liquide centrale remplie de liquide le le

blastocoeleblastocoele Il y a différenciation Il y a différenciation en 2 types en 2 types

distincts de cellulesdistincts de cellules: les cellules du : les cellules du trophectoderme formant un feston trophectoderme formant un feston qui borde la cavité blastocoelique qui borde la cavité blastocoelique et les cellules de la MCI ou et les cellules de la MCI ou « bouton embryonnaire », excentré« bouton embryonnaire », excentré

L ’embryon était resté 72 h dans L ’embryon était resté 72 h dans l ’ampoule (jonction isthme). Il l ’ampoule (jonction isthme). Il traverse l ’isthme rapidement et traverse l ’isthme rapidement et entre dans l ’utérus entre 8 cellules entre dans l ’utérus entre 8 cellules et morula. et morula. Le blastocyste est libre Le blastocyste est libre dans la cavité utérinedans la cavité utérine

L ’expansion du blastocysteL ’expansion du blastocyste

Le diamètre du blastocyste jeune Le diamètre du blastocyste jeune est peu différent de celui de est peu différent de celui de l ’embryon précoce, puis, sous l ’embryon précoce, puis, sous l ’augmentation du fluide du l ’augmentation du fluide du blastocoele, le blastocyste croît et blastocoele, le blastocyste croît et la ZP s’ amincit ( 100-200 la ZP s’ amincit ( 100-200

cellules)cellules)

Une enzyme à activité Une enzyme à activité protéasique est présente sur protéasique est présente sur la membrane plasmique de la membrane plasmique de certaines cellules du certaines cellules du trophectoderme: la strypsine. trophectoderme: la strypsine. Elle permet l ’érosion et la Elle permet l ’érosion et la déhiscence de la ZP.déhiscence de la ZP.

Quelques cellules font issue Quelques cellules font issue hors du blastocyste qu ’elles hors du blastocyste qu ’elles réintègrent lors de réintègrent lors de contractions du blastocyste contractions du blastocyste suivies de réexpansionsuivies de réexpansion

L ’éclosion embryonnaireL ’éclosion embryonnaire

Le blastocyste sous Le blastocyste sous l ’effet de tous ces l ’effet de tous ces mécanismes finit par mécanismes finit par sortir hors de la brèche sortir hors de la brèche large apparue dans la large apparue dans la ZP: c ’est l ’éclosionZP: c ’est l ’éclosion

Elle a lieu à J6 - J7, Elle a lieu à J6 - J7,

Les rôles de la zone pellucideLes rôles de la zone pellucide

Barrière spécifique pour les spzBarrière spécifique pour les spz Blocage de la polyspermieBlocage de la polyspermie Poreuse et traversée par les prolongements des cellules de la Poreuse et traversée par les prolongements des cellules de la

corona elle permet aux sécrétions de la trompe d ’atteindre corona elle permet aux sécrétions de la trompe d ’atteindre l ’embryonl ’embryon

Maintient la cohésion des blastomères pendant la segmentationMaintient la cohésion des blastomères pendant la segmentation Empêche l ’adhésion à l ’épithélium tubaire (GEU)Empêche l ’adhésion à l ’épithélium tubaire (GEU)

A J7, à la fin de la A J7, à la fin de la première semaine de première semaine de développement, le développement, le blastocyste, éclos de blastocyste, éclos de sa zone pellucide, est sa zone pellucide, est prêt à s ’implanter.prêt à s ’implanter.

Bouton embryonnaire ou MCI