Cours 4 : Embryologie du développement – Le squelette · Cours 4 : Embryologie du développement...

UE11 Appareil locomoteur

Pr Guimiot

Le 29/01/18 à 15h30

Ronéotypeur : Noémie Ndeukam

Ronéolecteur/Ronéoficheur : Amelle Brik

Cours 4 : Embryologie du développement – Le

squelette

Le prof a précisé qu'il n'y avait pas de parties du cours plus importantes que d'autres, mais qu'il fallait tout

maîtriser, donc tout ce qui a été traité en cours figure dans la ronéo. Il a accepté de relire la ronéo.

Ronéo n°2 – Cours 4 1/18

SOMMAIRE

Introduction : Origine de l'appareil locomoteur – les somites

I. Les deux processus d'ossification

A) L'ossification endomembraneuse

B) L'ossification endochondrale

II. Le squelette axial

A) Formation du rachis

1. Evolution des sclérotomes

2. Histogenèse des vertèbres

B) Formation du crâne

1. Neurocrâne cartilagineux ou chondrocrâne

2. Neurocrâne membraneux

3. Viscérocrâne membraneux

4. Viscérocrâne cartilagineux

III. Le squelette appendiculaire

A) La morphogenèse

1. Morphologie

2. Bases moléculaires

B) L'histogenèse

1. Les os longs

2. Les articulations


Introduction : Origine de l'appareil locomoteur – les somites

L'appareil locomoteur est originaire des somites qui sont du mésoblaste latéral. Ils se mettent en place au

cours de la gastrulation (3ème semaine de développement = 3SD).

Il existe deux types de mésoblastes :

• Le mésoblaste axial qui formera la chorde

• Le mésoblaste latéral qui va se segmenter en trois parties :

– Le mésoblaste para-axial (partie la plus proche du centre de l'embryon), à l'origine des somites.

– Le mésoblaste intermédiaire (la région intermédiaire) : à l'origine des reins.

– Les deux lames latérales (à l'extrémité, sur les bords de l'embryon) :

La somatopleure intra-embryonnaire (en contact avec la cavité amniotique) et la splanchnopleure intra-

embryonnaire (en contact avec la vésicule vitelline)

Les somites apparaissent vers le 21ème jour de développement (J21) (au fur et à mesure de la fermeture du

tube neural) par groupe de 4 paires de somites par jour.

A partir de la 3SD, au sein de ces somites, se différencient 3 régions (ou contingents) cellulaires:

• Région externe : le dermatome à l'origine du derme et de l'hypoderme

• Région intermédiaire : le myotome, à l'origine de tous les muscles, du tronc et des membres.

• Région interne : le sclérotome, à l'origine du squelette axial (c'est-à-dire de la tête, de la colonne

vertébrale et de la cage thoracique)

NB : Initialement (J26) , dermatome et myotome sont regroupés, formant le dermo-myotome.


Mésoblaste para-axial

Mésoblaste intermédiare

Splanchnopleure

Somatopleure

I- Les deux processus d'ossification

A partir du mésenchyme indifférencié (par ex : les cellules mésoblastiques du sclérotome) , peuvent se

produire deux modes d'ossification : endochondrale et endomembraneuse.

A) L'ossification endomembraneuse

Les cellules mésenchymateuses se différencient directement en ostéoblastes (cellules qui fabriquent l'os) et

forment des centres d'ossification. Ce mode d'ossification concerne les os de la voûte du crâne, de la face,

et d'une partie de la clavicule.

NB : Les premières ossifications ont lieu au niveau des clavicules, elles sont détectables sur une radio à 8SD

(= 10 semaines d'aménorrhée)

B) L'ossification endochondrale

1. Les cellules mésenchymateuses se différencient en chondrocytes.

2. Les chondrocytes s'agencent de telle sorte à modeler une forme d'os et constituent ainsi une maquette

cartilagineuse.

3. Le processus d'ossification débute à l'intérieur de cette maquette (et non à l'extérieur, le prof a insisté là-

dessus).

Ce mode d'ossification concerne les os de la base du crâne, du rachis et du squelette des membres.


III- La formation du squelette axial

Le processus de développement du squelette axial se met en place dès la fin de la 4SD – début 5SD, à partir

du sclérotome.

A) La formation du rachis

1. Evolution des sclérotomes

Au sein du sclérotome se forment plusieurs contingents cellulaires qui vont proliférer puis migrer et entourer

la chorde et le tube neural. Ce processus vise à modeler la forme de la future colonne vertébrale.

– Le sclérotome ventral entourant la chorde (qui disparaitra, seul persistera un vestige de la chorde) :

à l'origine du corps vertébral des vertèbres.

– Le sclérotome latéral : à l'origine de la partie latérale du corps vertébral.

– Le sclérotome dorsal (autour de la partie dorsale du tube neural) : à l'origine de l'arc postérieur des

vertèbres.

– Le sclérotome central

– Le méningotome : à l'origine de la partie du corps vertébral en contact avec les méninges

recouvrant la moelle épinière. En effet, le tube neural représente le futur système nerveux central.

C'est un processus symétrique, bilatéral, de part et d'autre du tube neural. En effet, le sclérotome dorsal du

somite droit va entrer en contact avec le sclérotome dorsal du somite gauche. Idem pour les sclérotomes

ventraux droit et gauche.

C'est également un processus métamérique c'est-à-dire que la formation des différents types de vertèbres

n'est pas simultanée, elle suit un gradient céphalo-caudal : les premières vertèbres à s'ossifier sont les

cervicales, suivies des thoraciques... etc


On a décrit les sclérotomes dans un plan transversal, maintenant on va les étudier dans un plan longitudinal.

A bien comprendre selon le prof

En fait il y a 4 hémi-sclérotomes (2 de chaque côté du tube neural) :

(A*) Ils migrent , fusionnent et entourent le tube neural.

*Cf schémas ci-dessous

(B) Pendant cette migration, se produit un accolement temporaire longitudinal entre les sclérotomes (la

partie dorsale du sclérotome du dessus s'accole à la partie ventrale du sclérotome du dessous).

(C) Les sclérotomes fusionnés, se séparent formant ainsi un ensemble de vertèbres , une vertèbre étant

constituée de 2 parties : la partie ventrale du sclérotome du dessus accolée à la partie dorsale du sclérotome

du dessous. Il y a donc un décalage dans la formation des vertèbres.

A B C

En rouge : Partie ventrale

En jaune : Partie dorsale

En rose : tube neural


B C

NB : Le nucleus pulposus sera inclut dans les disques intervertébraux. Dans certaines anomalies on observe

des calcifications de ce nucleus pulposus.

2. Histogenèse (=Formation d'un tissu) des vertèbres

L'histogenèse correspond à l'ossification des sclérotomes, elle suit le schéma suivant :

5SD : Les cellules mésenchymateuses (en vert) migrent pour donner une forme à la futur vertèbre (cf partie

évolution des sclérotomes)

6SD : Des centres de différenciation des cellules mésenchymateuses en chondrocytes (en bleu) se forment et

progressivement envahissent la future vertèbre. Ils constituent le cartilage qui modélise à son tour la forme

de la future vertèbre.

7SD : Des centres d'ossification apparaissent (en orange), d'abord autour du tube neural.

Naissance : Puis ces centres d'ossifications s'étendent sur toute la future vertèbre sauf au niveau des

synchondroses qui délimitent les différentes parties de la vertèbre. Ces synchondroses permettent la

croissance en taille de la vertèbre, jusqu'à l'âge adulte (la taille des vertèbres d'un enfant étant inférieure à

celles d'un adulte). On parle de centres d'ossifications primaires, par opposition aux centres d'ossification

secondaires qui eux apparaissent à la puberté.

NB : Les synchondroses sont comparables aux sutures du crâne.

Puberté : Les centres d'ossification secondaires se localisent aux extrémités des différentes parties de la

vertèbre et sont responsables de la croissance en taille des vertèbres durant la puberté.


1 corps vértébral

Partie ventrale (gris clair)

Partie dorsale (gris foncé)

Couleur gris clair ou gris

foncé selon la

condensation des cellules

mésenchymateuses

Disque intervertébral

(gris foncé)

Vestige de la chorde =

Nucleus pulposus

La partie ossifiée du cartilage comprend :

- des cellules de la moelle osseuse

- des ostéoblastes, qui se rapprochent des chondrocytes et les utilisent pour fabriquer de l'os

- des ostéoclastes qui résorbent l'os

Il faut un équilibre entre production et résorption d'os pour que le processus d'ossification se déroule

correctement.


Partie ossifiée du cartilage

Disque intervertébral

Cavité (qui va se remplir)

Mésenchyme

B) La formation du crâne

Il existe 2 types de squelettes au niveau du crâne :

- Le neurocrâne correspondant aux os de la voûte cranienne et de la base du crâne

- Le viscérocrâne correspondant aux os de la face

1. Neurocrâne cartilagineux ou Chondrocrâne

Il s'agit des os de la base du crâne (os sphénoïde, ethmoïde, base des os temporaux et base de l'os occipital).

Ils suivent un processus d'ossification endochondrale, en effet les cellules mésoblastiques (=

mésenchymateuses) se différencient en cellules cartilagineuses qui seront ossifiées par le même mécanisme

ossifiant les vertèbres.

2. Neurocrâne membraneux

• Le processus d'ossification

Il constitue les os de la voûte du crâne et suit un processus d'ossification endomembraneuse. Les cellules


Os sphénoïde

Base os temporal

Base os occipital

mésenchymateuses (localisées sous l'ectoblaste) se différencient directement en ostéoblastes. La spécificité

de l'ossification de ce neurocrâne réside dans la formation de centres d'ossification reflétant les différentes

parties de la voûte du crâne. Il y a donc un centre d'ossification au niveau du futur os pariétal, un au niveau

du futur os frontal...etc

• Les sutures

On retrouve également des sutures entre les différentes parties de la voûte du crâne, qui permettent la

croissance du crâne après la naissance (même rôle que les synchondroses). Cette dernière dépend d'ailleurs

de la croissance cérébrale sous-jacente. En effet, lorsque le cerveau grandit, il exerce des forces de tension

sur les os de la voûte crânienne (et vice-versa) , des interactions moléculaires s'effectuent entre les deux

tissus. Plus le cerveau grandit, plus les os de la voûte crânienne vont se distendre.

Les fontanelles sont la réunion de plusieurs sutures.

NB : Certaines malformations crâniennes sont causées par des soudures précoces de certaines sutures,

telles que les trigonocéphalies, les scaphocéphalies. Par exemple, dans la trigonocéphalie, il y a une une

soudure prématurée des sutures coronales ainsi le cerveau ne pouvant croître en largeur, va croître en

hauteur.

3. Le viscérocrâne membraneux

Il correspond aux os de la face (de la mâchoire, des maxillaires, de la mandibule) et s'ossifie selon un

processus endomembraneux.


Mésenchyme

Ostéoblastes

Fontanelle

postérieure

Fontanelle

antérieure

4. Viscérocrâne cartilagineux

Il concerne les osselets de l'oreille interne (le marteau, l'enclume, l'étrier), les cartilages entourant le

larynx (cricoïde, aryténoïde...). Il s'ossifie selon un processus endonchondral.

III- Le squelette appendiculaire (= squelette des membres supérieurs et inférieurs)

A) La morphogenèse

1. Morphologie

Le squelette appendiculaire se développe de J25 à J52, c'est-à-dire jusqu'à la 8SD où le foetus possède 3

segments de membres (bras, avant-bras, main pour les membres supérieurs et cuisse, jambe, pied pour les

membres inférieurs) correctement formés.

La morphogenèse se déroule en 3 étapes :

1. Initiation du bourgeon des membres

Comme tout processus embryologique, la formation du squelette appendiculaire débute par une étape

d'initiation du bourgeon des membres (à J25). A J25, le bourgeon des membres supérieurs mesure 4mm et

à J28-J30, 6mm.

Rappel : Le bourgeon des membres supérieurs est plus gros que celui des membres inférieurs, car la

formation du squelette appendiculaire respecte un gradient céphalo/crânio-caudal, donc les structures

crâniales se forment avant les structures caudales.

2. Elongation et Différenciation

Ces deux étapes sont simultanées.

L'élongation correspond à la croissance des 3 segments de membres tandis que la différenciation renvoie à

l'ossification des segments.


Bourgeon des

membres

supérieurs

Bourgeon des

membres

inférieurs

A J35, la main est à l'étape de palette puis à J40 les 3 segments se forment, on voit apparaître des rayons de

doigts (correspondant aux phalanges des doigts) , suite à la différenciation du mésenchyme sous

l'ectoblaste (ectoderme). Elles sont séparées par des espaces issus de la mort par apoptose du mésenchyme.

Au 2ème mois, donc au stade du foetus, les membres sont complètement développés.

2. Bases moléculaires

Les zones clés de la morphogenèse

La stimulation de ces zones contribue à la croissance du membre.

– La crête apicale (AER) : bourrelets de cellules d'origine ectoblastique.

– La zone à activité polarisante (ZPA) : localisée sur la face externe,ventrale du membre

– La zone de progression (ZP)

Ces zones ont été mises en évidence par l'expérience suivante : on greffe de la ZPA en dorsal, et on observe

la croissance du membre en dorsal, on remarque alors que c'est le phénotype de la partie ventrale du

membre s'exprime malgré le fait qu'on soit en dorsal.

L'initiation

• Les gènes HOX

La croissance des membres est soumise à l'expression de différents types de gènes, en particulier la famille

des gènes HOX. Il existe 4 catégories de gènes HOX : HOX A,B,C et D. Chaque gène possède jusqu'à 13

exons.

Des études réalisées sur la drosophile ont montré que les exons 4 et 5 des gènes HOX A,B,C,D

(uniquement l'exon 4 pour le gène HOX D) sont nécessaires au développement des membres inférieurs.

Concernant les membres supérieurs, il s'agit des gènes exons 9,10,11 des gènes HOX A,B,C,D

(uniquement l'exon 9 pour le gène HOX B).

L'expression de ces gènes HOX dépend elle-même d'un gradient d'acide rétinoïque. En effet, l'acide

rétinoïque est un composé qui diffuse dans tout l'organisme et en fonction de son gradient, la transcription de


certains gènes sera activée. Ces gènes agissent donc comme des effecteurs de l'acide rétinoïque.

• Les gènes brachyury

Les gènes brachyury TBX4 et TBX5 participent au développement des bourgeons des membres :

– TBX5 est exprimé dans le bourgeon des membres supérieurs.

– TBX4 est exprimé dans le bourgeon des membres inférieurs.

• Les FGFs (Fibroblasts Growth Factors)

L'initiation dépend des FGFs agissant par l'intermédiaire de leurs récepteurs FGFRs :

FGF8 est synthétisé par le mésoblaste sous-jacent au niveau du bourgeon des membres. Sa fixation sur le

recepteur FGFR1 favorise l'expression de FGF10 au niveau de la crête apicale ectodermique. FGF10 se

fixe sur le récepteur FGFR2 et tout ceci contribue à l'initiation du bourgeon des membres.


Crête apicale ectodermique

Points blancs = FGF10

La croissance (ou élongation)

La croissance des membres est sous la dépendance des FGFs et de Wint.

La crête apicale agit sur l'expression du gène FGF8, exprimé au niveau du mésoblaste de la ZP, FGF8 agit

sur la ZP via son récepteur FGFR1. Cette dernière stimule l'expression de FGF10 qui agit sur la crête

apicale (car exprimé à ce niveau) via son récepteur FGFR2.

L'ectoderme de surface, en plus de celui de la crête apicale exprime WNT ou Wint.

L'ensemble contribue à l'allongement des membres.

La polarité

Il existe 3 types de polarités dans le développement des membres : une polarité dorso-ventrale, antéro-

postérieure et proximo-distale.

Selon l'axe dans lequel va se développer les membres, ce ne sont pas les mêmes gènes qui sont impliqués.

• Polarisation dorso-ventrale

1. Le mésenchyme est polarisé avant l'initiation du bourgeon, les facteurs impliqués ne sont pas

connus.

2. La polarité ectodermique apparaît au niveau de la crête apicale

En effet, la crête apicale exprime 3 facteurs de transcription :

– Les facteur Wint7a (wingless) et R-fng (fringe), qui s'expriment sur la face dorsale de la crête

apicale.

– Le facteur En1 (engrailed), qui s'exprime sur la face ventrale de la crête apicale.

3. La polarisation du mésenchyme apparaît.

Les gènes Wint7a et En1 activent l'expression dans le mésenchyme(= mésoblaste sous-jacent) de 2 gènes

qui vont être compartimentalisés :

– Lmx1 (LIM), sous l'influence de Wint7a, est localisé dans la partie dorsale du mésenchyme.

– EphA7 (éphrine), sous l'influence de En1, est localisé dans la partie ventrale du mésenchyme.

• Polarisation proximo distale

Les gènes HOX sont responsables de la croissance des membres selon un axe proximo-distal, en particulier

les exons 9,10,11,12 et 13 des gènes HOX A et D.

Il existe un gradient d'expression de ces exons tout le long du membre. Par exemple, au niveau de la main,

ce sont les exons 9,10,11,12 et 13 qui sont exprimés ; au niveau de l'avant-bras, les gènes 9,10 et 11

uniquement et au niveau du bras les gènes 9 et 10.

Des mutations de ces gènes sont à l'origine de phénotypes variés :


– une mutation de HOXA13 et HOXD13, entraine un non-développement de la main, car ces deux

gènes s'expriment spécifiquement dans la main et sont donc nécessaires à sa croissance, de plus il

n'existe pas de redondance avec les autres gènes HOXA/D 9,10,11,12.

NB : il peut y avoir une redondance, mais cela dépend des gènes concernés.

– idem pour la mutation des gènes HOXA11 et HOXD11 qui conduit à une absence de l'avant-bras,

mais un maintien du développement de la main.

– La mutation de tous les gènes HOXA et D cause le non-développement du membre entier.

• Polarisation antéro-postérieure

Le gène Shh est principalement responsable de la polarisation antéro-postérieure.

En effet, cette dernière est médiée par la ZPA, qui induit l'expression du gène Shh (exprimé dans la ZPA),

qui lui-même favorise l'expression de BMP2. BMP2 induit ensuite l'expression des gènes HOXA et D.

Il y a une superposition de l'expression des gènes HOX au niveau du bourgeon de membre (ZPA), avec par

exemple, le gène HOXD13, qui s'exprime à l'extrémité distale, une perte de ce gène entraine un non-

développement de la peau.


Schéma récapitulatif :

B) Histogenèse

1. Les os longs

La phase d'initiation débute par une condensation mésenchymateuse pré-cartilagineuse, sous la

dépendance des facteurs SOX9, GDF, BMPs. Ces facteurs s'expriment dans le mésoblaste du bourgeon de

membres. Puis ce dernier va croître en longueur sous l'effet des FGFs. Parallèlement à cette croissance, a

lieu une différenciation du mésenchyme en chondrocytes, qui constituent des maquettes cartilagineuses

(bleu) modélisant la forme du futur os. Ces maquettes entrent ensuite dans un processus d'ossification

endochondrale (comme pour le squelette axial).

Au cours de l'ossification endochondrale, qui débute en périphérie de l'os, au niveau du périoste(= enveloppe

d'un os long) plusieurs territoires se distinguent :

– le cartilage de réserve, qui se met à proliférer et donne naissance au cartilage pré-hypertrophique

– le cartilage pré-hypertrophique, constitué de chondrocytes qui comment à grossir.

– le cartilage hypertrophique, formé de chondrocytes avec un cytoplasme clair et un noyau central.

– le cartilage de conjugaison ou plaque de croissance (au niveau de la métaphyse), région où

s'effectue le processus d'ossification

Les chondrocytes hypertrophiques meurent progressivement par apoptose, ils perdent leur noyau, mais leur

cytoplasme persiste. Autour de ces cytoplasmes (ou cavités), figure la matrice extra-cellulaire (MEC), à

l'intérieur de laquelle se trouvent des travées appelées travées primaires. C'est sur ces travées que les

ostéoblastes vont se fixer et synthétiser de l'os. La moelle osseuse se forme en colonisant les cytoplasmes

vides des chondrocytes. Plus le processus d'ossification s'effectue, plus les travées deviennent osseuses et

s'épaississent.

On peut donc dire que la MEC sert de matrice liquide au processus d'ossification.


L'os est constitué de 3 parties :

– L'épiphyse (= extrémités d'un os long) est constitué du cartilage de réserve.

Les chondrocytes y prolifèrent puis deviennent hypertrophiques. Plus, on se rapproche de la métaphyse,

plus les chondrocytes sont hypertrophiques.

– La métaphyse est constituée du cartilage de conjugaison.

Elle correspond à la région où le processus d'ossification commence. Elle induit la croissance en longueur

de l'os, et lui donne sa forme, au fur et à mesure de son ossification. On parle de remodelage métaphysaire.

– La diaphyse (= partie médiale d'un os long) :

Son ossification débute au niveau du périoste (= corticale), situé en périphérie de l'os, on parle donc

d'ossification corticale. Elle est responsable de la croissance en largeur de l'os.

En radiographie, on utilise les points d'ossification (des dents, du calcanéum, du fémur...) pour étudier la

maturation osseuse d'un foetus et déterminer si elle correspond bien à son âge gestationnel. Par exemple, le

calcanéum apparaît à 26 SA.

La diapo 42 a été brièvement traitée par le prof, ce qu'il faut retenir de cette diapo est marqué ci-dessous :

La mutation du gène PTHrP (récepteur de la PTH) entraîne un phénotype osseux illustré par un déficit de

croissance et une déminéralisation osseuse.


MEC

Travée osseuse

2. Les articulations

Au niveau des articulations, se trouvent des cavités synoviales.

Les articulations se forment par dégénérescence des chondrocytes, qui meurent par apoptose au niveau de

la future articulation, laissant place à un tissu fibreux, au sein duquel apparaît une cavité synoviale (= cavité

articulaire).

Ce processus fait intervenir FGFR2 et GDF:

– FGFR2 est exprimé dans le cartilage (les chondrocytes)

– GDF est exprimé dans la cavité synoviale

On peut ainsi prédire la localisation d'une future articulation en mettant en évidence ces gènes.

DEDICACES :

– à ma ronéoficheuse aux idées de génie ;)

– à l'équipe de l'amphi et à leur équipement dernier cri sans qui la ronéo aurait été difficilement

réalisable ;) Et merci au garçon qui nous a aidé avec le mac :)

– à la team crustacés <3 <3

– à Marie, Alice, Coralie, Sukeina, Laurie, Méja, Sarah, Sophie (les 2) ;)

– à Albibi la gangsta tchétchène, aïïït ;)

– à Jess, ma Queen J !

– et à toute la promo <3


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