La méiose, diviser pour mieux se multiplier


Passionné par les questions autour de la formation de l’œuf, de la fécondation et des premières étapes du développement de l’embryon, Edouard Van Beneden découvre en 1883 le processus de, ce qu’on appellera plus tard, la méiose.

Meiose-VanBeneden

Différents moments de la pénétration du spermatozoïde et début de la formation du fuseau du centre.

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uand 1+1=3 ou plus, la loi de la nature fait un pied de nez aux mathématiques. Les espèces qui peuplent notre planète ont inventé, au fil de l’évolution, diverses manières d’y parvenir. Pour un grand nombre d’entre elles, tout commence par la fécondation. Un spermatozoïde pénètre dans un ovule et leurs noyaux fusionnent pour former la première cellule du nouvel individu en devenir. Les processus qui permettent de produire les gamètes mâles et femelles, la fusion de leurs noyaux ou encore le développement de l’embryon sont bien connus aujourd’hui. Mais cela n’a pas toujours été le cas. Il n’ y a pas si longtemps, au début du XIXe siècle, les scientifiques ignoraient comment l’œuf ou l’ovocyte d’une femelle entreprenait ces transformations qui mènent au développement d’un être vivant. « Au milieu du XIXe siècle, il y a une explosion du savoir dans le domaine de la cytologie, l’étude de la cellule. C’est à ce moment que Theodor Schwann élabore la théorie cellulaire » explique Vincent Geenen, Professeur d’embryologie à l’Université de Liège. « Et cela va influencer bien des domaines dont l’embryologie, c’est-à-dire le développement d’individus à partir d’un œuf unique chez toutes les espèces animales ». A l’époque, Karl Ernst von Baer, biologiste germano-balte, a décrit le développement de l’embryon à partir de trois feuillets : l’endoderme, le mésoderme et l’ectoderme. Les cellules qui constituent chaque feuillet ont des destinées spécifiques différentes. De son côté, Ernst Haeckel, biologiste allemand et darwiniste convaincu, constate que toutes les espèces animales passent par un stade commun : la gastrula. « Haeckel dit que, à ce stade, on ne peut distinguer une espèce d’une autre bien que à la base leurs œufs ont des tailles très différentes et que les individus adultes ont des morphologies bien distinctes», poursuit Vincent Geenen.

La fécondation par contact ou pénétration ?

Edouard Van Beneden (1846-1910), fils d’un paléontologue et passionné de sciences naturelles, brille dès son arrivée dans la sphère scientifique. Particulièrement intéressé par la maturation de l’ovocyte, par la fécondation et les premières étapes du développement embryonnaire, il se plonge dans ces questions dès le début de sa carrière scientifique, à 20 ans. Il utilise le lapin comme animal modèle et réalise ses observations au microscope. « A cette période, le lapin est l’animal le plus commun utilisé pour les expériences, c’est le modèle en vogue, comme l’est aujourd’hui la drosophile ou le poisson zèbre », explique le Professeur d’embryologie. A 24 ans, alors qu’il occupe un poste de Chargé de cours de zoologie et d’anatomie comparée à l’ULg, Edouard Van Beneden écrit un premier manuscrit reprenant le fruit de ses observations. Il sera publié en 1875 (1). « Dans ce manuscrit, il se cantonne à des observations et se refuse à toute réflexion », souligne Vincent Geenen. Il y décrit notamment qu’il y a deux noyaux dans l’ovocyte avant que celui-ci commence à se transformer. Il s’agit de deux pronucléi. « La seule hypothèse qu’Edouard Van Beneden émet dans ce manuscrit c’est que ces deux pronucléi présents dans l’ovocyte pourraient fusionner mais il ne le démontre pas », reprend le scientifique. « C’est Oscar Hertwig qui le démontrera plus tard, en 1876, à partir d’observation d’œufs d’oursins ». Ce qu’on appelle avant cela fécondation repose sur la « théorie du contact ». En effet, les scientifiques pensent que c’est le contact entre un spermatozoïde et un ovule qui entraîne les premières étapes de développement de l’embryon, sans que le spermatozoïde ne pénètre dans l’ovule. Dans ce même manuscrit de 1875, Edouard Van Beneden relate également que, après le contact entre spermatozoïde et ovule, l’œuf  s’installe dans l’utérus et commence, ce qu’il appelle alors, sa « fragmentation ». « Aujourd’hui on parle de segmentation », précise Vincent Geenen. « Il décrit que l’œuf donne deux cellules filles, puis quatre, etc. » Toujours dans cette étape de segmentation, Edouard Van Beneden va aussi mentionner l’apparition d’un blastopore, une structure fondamentale pour la mise en place des trois feuillets qui constituent l’embryon. Toutes ces observations, ce « Mozart de la science » les réalise à l’aide de techniques de  microscopie et de coloration qui sont en plein essor.

Réduire le matériel génétique de moitié

Edouard Van Beneden devient Professeur ordinaire à l’4université de Liège à 28 ans ! Après avoir utilisé le lapin comme animal modèle, il se tourne alors vers l’Ascaris (Ascaris megalocephala) , un vers parasite du cheval. « Son père travaillait beaucoup sur les vers intestinaux et Edouard Van Beneden avait remarqué que l’Ascaris a de très grands spermatozoïdes », explique Vincent Geenen. « Il s’est probablement dit que cela pourrait lui permettre de régler la question de savoir si oui ou non les spermatozoïdes pénètrent dans les ovocytes ». En 1883, le chercheur publie un ouvrage de plus de 470 pages (2) qui rassemble les résultats de ses travaux de recherche dans trois domaines : la maturation de l’œuf, la fécondation et les premières étapes de la segmentation. Parmi les découvertes qu’il y expose, il démontre cette fois la pénétration du spermatozoïde à l’intérieur de l’ovocyte, et précise que le pronucleus mâle se loge au centre de l’ovocyte tandis que le pronucléus de ce dernier est localisé en périphérie. « Il y dit cependant que ces deux pronuclei ne se confondent jamais… ». Mais dans cet ouvrage c’est surtout son travail sur l’ovogenèse qui va retenir l’attention du monde scientifique. « Grâce à la coloration de ce qu’il appelle les « anses chromatiques », il montre que l’ovocyte élimine des globules polaires qui contiennent le même matériel génétique qui se trouve au sein du pronucleus femelle », indique Vincent Geenen.  « Il avance dès lors l’hypothèse que ces globules polaires permettent de réduire de moitié le matériel génétique contenu dans l’ovocyte. Il jette ainsi la base des connaissances sur le processus de la méiose qui sera baptisé ainsi en 1905 ». Ses dessins sont tellement précis qu’on y voit très nettement la description la plus élaborée de ce qui deviendra la méiose c’est-à-dire la division des cellules sexuelles. C’est lui qui avance pour la première fois l‘idée d’une réduction de moitié du matériel génétique grâce à un processus qui est très clairement différent de la mitose classique. Si on appelle aujourd’hui les anses chromatiques des chromosomes, nous avons gardé le terme de globule polaire introduit à cette époque par Edouard Van Beneden.

Premières observations du centrosome

Ce processus de l’ovogenèse au cours duquel il y a la formation de globules polaires pour réduire de moitié le matériel génétique est un des phénomènes les plus importants de la formation de l’œuf. « On observe également ce processus dans le monde végétal », reprend Vincent Geenen. Au cours de ses observations, Edouard Van Beneden fait une autre découverte : « il parle de petits points qui apparaissent et pense qu’ils jouent un rôle important dans la division de l’œuf ». Ces petits points dont il parle sont ce que Theodor Boveri, un biologiste allemand, décrira et appellera en 1888 le centrosome, le centre organisateur des microtubules de la cellule.

On l’aura compris, la contribution d’Edouard Van Beneden au savoir dans le domaine de la biologie est immense, et difficilement résumable tant par son ampleur que par les liens de son travail avec les autres grandes figures scientifiques de l’époque. Il a fait de l’ULg une université à la pointe dans le domaine de l’embryologie, notamment de l’embryologie comparée, et a laissé en héritage une école de zoologie et d’embryologie. « Aujourd’hui, l’embryologie humaine étant surtout une science descriptive, elle a fait place à la biologie du développement qui a recours aux techniques de biologie moléculaire », indique Vincent Geenen. « Nous travaillons avec d’autres modèles, tel que le poisson zèbre qui est l’animal modèle le plus perfectionné pour les analyses moléculaires et génétiques réalisées dans ce domaine ». Les travaux d’Edouard Van Beneden  ont été récompensés à de nombreuses reprises au cours de sa carrière (voir encadré). L’éminent scientifique décède à 74 ans, en 1910, sur son lit de camp installé dans son bureau de l’Institut de Zoologie. Tel un capitaine à bord de son navire qui gardera le cap à travers les siècles.

 

Références scientifiques

(1) « La maturation de l'oeuf, la fécondation et les premières phases du développement embryonnaire des Mammifères, d'après des recherches faites chez le Lapin », Bulletins de l'Académie Royale des Sciences de Belgique. Vol. 40, p. 646, 1875 ».

Consulter la publication sur ORBi

(2) « Recherches sur la maturation de l’œuf, la fécondation, et la division cellulaire."  Gand, Leipzig & Paris, Librairie Clemm & G. Masson, 1883.

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Vincent-Geenen-FS

 

Vincent Geenen est directeur de recherches au F.R.S.-FNRS de Belgique, professeur d'embryologie et d'histoire de la recherche biomédicale à l'Université de Liège, et chef de clinique d'endocrinologie au CHU de Liège. Il dirige le Centre d'Immunoendocrinologie installé depuis janvier 2012 à l'institut de recherche GIGA-R. Il est secrétaire du Fonds Léon Fredericq pour la recherche biomédicale au CHU de Liège et membre de la commission SVS-4 du F.R.S.-FNRS.

Depuis près de 30 ans, Vincent Geenen et son équipe travaillent sur le thymus, organe lymphoïde central du système immunitaire. Ses recherches ont permis de démontrer que le thymus exerce un rôle unique dans l'éducation du système immunitaire à reconnaître et à tolérer les fonctions neuroendocrines, et qu'un dysfonctionnement du thymus est impliqué dans le développement de l'auto-immunité sélective du diabète de type 1. Actuellement, le Centre d'Immunoendocrinologie met au point un nouveau type de vaccination négative/tolérogène contre le diabète de type 1.

Vincent Geenen a aussi été coordinateur du projet intégré FP6 Eurothymaide (2004-2008). Ce consortium de 20 laboratoires académiques et de 5 PME Biotech a travaillé au développement de nouvelles approches diagnostiques et thérapeutiques des maladies auto-immunes basées sur les nouvelles connaissances des mécanismes tolérogènes naturels du thymus.

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Pour mieux comprendre

Gamète : cellule sexuelle mâle (spermatozoïde) ou femelle (ovule) qui permet la reproduction sexuée.

Ovocytes : cellules féminines présentes dans les ovaires des femmes dès avant leur naissance. Seul un petit nombre d’entre eux seront fécondables entre la puberté et la ménopause. Ces ovocytes matures destinés à être fécondés par les spermatozoïdes sont appelés ovules (mais le terme n’est pas scientifique).

Gastrula : embryon résultant de la gastrulation au cours de laquelle se forment dans le bon ordre les trois feuillets (ectoderme, mésoderme, endoderme) qui le constituent.

Pronucleus : structure cellulaire correspondant à chacun des deux noyaux, l'un provenant du spermatozoïde, l'autre de l'ovule, qui sont les deux gamètes mâle et femelle, permettant la création de l'œuf fécondé, évoluant (normalement) vers l'embryon, le fœtus, et enfin le nouveau-né.

Blastopore : Lors de l'embryogenèse animale, au cours de la gastrulation, et au moment où s'invagine le pôle végétatif de la cœloblastula, il se produit une ouverture : c'est le blastopore. Celui-ci donne accès à la cavité archentérique située dans le sac invaginé, ébauche du tube digestif. La destinée du blastopore permet d'identifier deux grandes coupures chez les animaux à symétrie bilatérale. Dans une première série, le blastopore de la gastrula deviendra la bouche de l'adulte ; jamais il ne participera à la formation de l'anus qui s'édifiera ultérieurement. Ce caractère définit les protostomiens (annélides, mollusques,…). Dans un deuxième groupe, le blastopore de la gastrula donnera l'anus ou marquera sa place ; la bouche correspond à une néo-formation. Ce caractère définit les deutérostomiens (échinodermes, stomocordés, pogonophores, tuniciers, céphalocordés, vertébrés).

Microtubules : fibres constitutives du cytosquelette de la cellule.

Centrosome : centre cellulaire organisateur des microtubules.

Globule polaire : deux ou trois petites cellules formées au cours de la méiose de l’ovocyte.

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