La Première Semaine du Développement. L’embryon préimplantatoire

1. Faculté de Médecine Pierre et Marie CuriePCEM 1 – Année 2004-2005Cours de Biologie du Développement La Première Semaine du Développement. L’embryon préimplantatoire Jacqueline Mandelbaum

2. La segmentation (J1-J4) - stade des clivages ( J1-J3) - la morula ( J4) ; la compaction • Le blastocyste (J5-J6) • L ’éclosion (J6-J7)

3. Pendant son séjour dans la trompe, l ’embryon subit une série de divisions cellulaires, appelées segmentation ou clivage, qui ne s ’accompagnent d ’aucune croissance: la morula n ’est pas plus volumineuse que le zygote et l ’embryon reste inclus dans la ZP • A chaque division, la taille des cellules diminue, partageant le cytoplasme abondant du zygote entre les cellules filles ou blastomères • Le rapport cytoplasme/noyau élevéde l ’œuf fécondé est ainsi progressivement ramené à celui d ’une cellule somatique adulte

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

5. Il en résulte deux blastomères de taille similaire

6. La deuxième division est légèrement asynchrone entre les 2 blastomères. Le premier qui se divise le fait selon un plan perpendiculaire à l ’équateur ( II a) • Le second le fera selon un plan passant par l ’équateur (II b)

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

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

9. Cinétique de division • Pendant les premiers jours du développement embryonnaire les divisions se succèdent à un rythme caractéristique de l ’espèce : environ 1/ jour chez l ’humain • 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; stade 4 cellules à J2; stade 8 cellules à J3; stade 16 cellules (morula) à J4 • La cinétique de division est le paramètre le plus représentatif de la qualité de l ’embryon préimplantatoire. Ainsi, un embryon humain 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 lent ou plus rapide. • Un embryon qui ne subit aucune nouvelle division durant 24 heures ne se divisera plus ; son développement est bloqué.

10. L ’activation du génome embryonnaire La participation maternelle • Comme dans toutes les espèces, le génome embryonnaire est au début inactif ( pas de transcription). Les premiers stades de développement s ’effectuent donc en l ’absence de synthèse d ’ARN • Le conceptus dépend alors de son héritage maternel en ARN messagers ( transcrits) et en protéines présents dans le cytoplasme ovocytaire et accumulés au cours de la période de croissance et au cours de la maturation cytoplasmique finale. Toute altération des réserves ovocytaires aura un retentissement sur le développement de l ’embryon • Le début du développement embryonnaire est ainsi la seule période de la vie d ’un individu qui soit régulée par les produits du génome d ’un autre individu

11. L ’activation du génome embryonnaire • Cette dépendance ne dure pas. Pour un stade évolutif spécifique de l ’espèce, la transcription est activée (y compris grâce à des protéines maternelles comme HMG1 (High Motility Group). L ’embryon prend le contrôle de son développement • Cette transition materno-zygotique (MZT) prend place chez l ’humain entre les stades 4 et 8 cellules ; chez la souris au stade 2; chez le lapin entre les stades 8 et 16 cellules • Les protéines nouvellement synthétisées le sont désormais par 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 s ’arrête .

12. Les ARN et les protéines maternelles sont détruits mais certains persistent jusqu ’au stade blastocyste voire au-delà et influencent le développement • Il y a donc coexistence pendant la période préimplantatoire des 2 types d ’information génétique: maternelle et zygotique qui devient prépondérante. Les synthèses protéiques de l ’embryon ne subiront un accroissement quantitatif majeur qu ’à partir du stade blastocyste

13. Les anomalies des embryons en cours de clivage • La fragmentation (ou séquestration de fragments de cytoplasme dans l ’EPV ou entre les blastomères) est fréquente chez l ’embryon humain. Elle s ’accompagne d ’une réduction de viabilité si >20 % de son volume • Les anomalies chromosomiques atteignent 39% des embryons de morphologie et cinétique normales et issus de zygotes à 2 PN (80 % en cas de fragmentation massive) • In vivo aussi, seuls 50% des oeufs fécondés sont viables. La majorité des embryons porteurs d’anomalies chromosomiques ne s’implantent pas ou sont éliminés après l’implantation. Ils représentent 60% des fausses couches spontanées du premier trimestre qui surviennent elles-même dans 15% des cas. Finalement, 3% d ’enfants naîtront porteurs d ’anomalies dont 0,6% chromosomiques.

14. La morula ( J4) ; la compaction

15. Jusqu ’au stade 8 cellules, l ’individualisation des blastomères reste totale même si on observe parfois des jonctions de type desmosomes entre 2 blastomères • Les blastomères sont totipotents

16. L ’embryon au stade 8 cellules continue à se diviser et forme un amas cellulaire ressemblant à une petite mûre…la morula • Des jonctions de divers types se forment entre les blastomères • Jonctions communicantes ou gap-junctions (perméables aux molécules < 1000 D), formées par l ’association de 6 molécules de connexine (connexon) • Jonctions adhérentes favorisant l ’association entre cellules ( rôle du Ca et de la E-cadhérine) • Jonctions serrées assurant l ’étanchéité

17. Progressivement, les blastomères périphériques de la morula adhèrent les uns aux autres par leurs faces latérales, leur forme arrondie s ’estompe, les limites entre les blastomères deviennent indistinctes et la morula prend un aspect compact • La compaction est initiée grâce à l ’action de la E-cadhérine qui se redistribue de la surface des blastomères à la membrane basolatérale des blastomères périphériques dans les zones de contact cellulaire où s ’établissent les jonctions adhérentes(Anticorps) • La connexine 43 permet le maintien de la compaction ( souris invalidées) Injection de jaune lucifer dans l ’embryon humain (B.Dale)

18. La morula compactée • La segmentation se poursuit dans la morula. Certains blastomères sont distribués au centre de la cellule et deviennent les blastomères internes, plus petits, en contact avec les autres cellules par toute leur surface, 10 à 12 dans un embryon de 32 cellules. Ils donneront le bouton embryonnaire ou masse cellulaire interne (fœtus ) • Les blastomères périphériques présentent leur face libre à la ZP, se polarisent ( microvillosités apicales, noyau . Ils seront à l ’origine du trophectoderme (placenta) • Le devenir des cellules ne dépend que de leur position ( expériences chez l ’animal ; blastomères isolés marqués et placés à l ’extérieur ou à l ’intérieur d ’une morula donnent soit le trophectoderme, soit la MCI

19. La cavitation • La morula, à partir de J4, commence à adsorber des liquides, d ’abord dans des vacuoles intra-cytoplasmiques puis dans les espaces entre les blastomères et du fait des jonctions tendance à s ’accumuler au centre de la morula • L ’afflux de liquide est du en partie à l ’activité de la Na +/K- ATPase avec mouvement actif de Na vers l ’intérieur et afflux passif d ’eau par mécanisme osmotique • Sous l ’influence de la pression hydrostatique de ces liquides, une cavité se crée dans la morula

20. Le blastocyste (J5-J6) • L ’embryon a maintenant 32 cellules. Il se présente comme une sphére creuse avec une cavité centrale remplie de liquide le blastocoele • Il y a différenciation en 2 types distincts de cellules: les cellules du trophectoderme formant un feston qui borde la cavité blastocoelique et les cellules de la MCI ou « bouton embryonnaire », excentré • L ’embryon était resté 72 h dans l ’ampoule (jonction isthme). Il traverse l ’isthme rapidement et entre dans l ’utérus entre 8 cellules et morula. Le blastocyste est libre dans la cavité utérine

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

22. Une enzyme à activité protéasique est présente sur la membrane plasmique de certaines cellules du trophectoderme: la strypsine. Elle permet l ’érosion et la déhiscence de la ZP. • Quelques cellules font issue hors du blastocyste qu ’elles réintègrent lors de contractions du blastocyste suivies de réexpansion

23. L ’éclosion embryonnaire • Le blastocyste sous l ’effet de tous ces mécanismes finit par sortir hors de la brèche large apparue dans la ZP: c ’est l ’éclosion • Elle a lieu à J6 - J7,

24. Les rôles de la zone pellucide • Barrière spécifique pour les spz • Blocage de la polyspermie • Poreuse et traversée par les prolongements des cellules de la corona elle permet aux sécrétions de la trompe d ’atteindre l ’embryon • Maintient la cohésion des blastomères pendant la segmentation • Empêche l ’adhésion à l ’épithélium tubaire (GEU)

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