MORPHOGENÈSE

Une morphogenèse est un processus biologique qui donne sa forme, morphe ou structure, à un organisme. Cette morphogenèse est l'un des trois aspects fondamentaux de la biologie du développement avec le contrôle de la croissance cellulaire et la différenciation cellulaire incluant le développement des formes et des structures d'un organe vivant.

La morphogenèse de cellules :

La morphogenèse de cellules embryonnaires montre leur développement, effectuant comme un "tri des cellules". Ici, échantillon de classification cellulaire avec une culture cellulaire d'un carcinome embryonnaire P19. Les cellules vivantes ont été colorées avec Dil (rouge) ou Dio (vert). Les globules rouges ont été génétiquement modifiés et ont exprimé des taux plus élevés d'E-cadhérine par rapport aux cellules vertes. Après marquage, les deux populations ont été mélangées et cultivées ensemble, permettant aux cellules de former de grands agrégats multicellulaires. Les cellules individuelles avaient un diamètre inférieur à 10 microns. L'image a été capturée par un microscope confocal à balayage.

La morphogenèse fait référence au développement d'organismes, d'organes et d'organelles et d'autres structures et caractéristiques au cours de l'ontogenèse des êtres vivants, y compris les êtres humains, les animaux, les plantes, les procaryotes et les virus.

En biologie, la morphogenèse est le développement de la forme et de la structure d'un organisme, à la fois du point de vue de l'évolution et du développement ontogénétique du seul organisme à partir de la cellule fécondée (développement embryonnaire); dans ce dernier cas, le processus est favorisé par l'action de morphogènes. Voir aussi la photomorphogenèse.

La morphogenèse est le processus de contrôle de la distribution spatiale des cellules qui s'organise pendant le développement embryonnaire d'un organisme. Elle peut avoir lieu également dans un organisme mature, en culture cellulaire ou à l'intérieur de masses de cellules tumorales (tumeur cellulaire). La morphogenèse décrit également le développement des formes de vie unicellulaires qui n'ont pas un stade embryonnaire de leur cycle de vie, ou décrit l'évolution d'une structure d'un corps au sein d'un groupe taxonomique.

Les réponses morphogénétiques peuvent être induites dans les organismes par les hormones, les produits chimiques environnementaux allant de substances produites par d'autres organismes à des produits chimiques toxiques ou radionucléides libérés comme des polluants, et d'autres plantes, ou par des contraintes mécaniques induites par la répartition spatiale des cellules. Dans la formation d'un organe, nous partons des mêmes cellules qui se différencient dans le temps. Tout cela nécessite une organisation desdits tissus, organelles et organes. Les propriétés qui doivent être présentées par les cellules qui interviennent dans les changements de forme sont :

• Adhésivité de la cellule.
• motilité cellulaire (capacité à se déplacer spontanément).
• Contractilité (capacité de contraction).

Il est à noter que la morphogenèse doit prendre en compte les propriétés biomécaniques des cellules ainsi qu'au niveau moléculaire, l'existence de protéines ou d'hormones régulant l'adhérence, l'orientation des divisions cellulaires ou la régulation de la pression osmotique, ainsi que le cytosquelette, car ils peuvent produire des changements de forme ou varier leur motilité.

En tant que sections de développement particulières de la morphogenèse de l'homme à l'état prénatal, on peut distinguer entre :

• l'embryogenèse, qui différencie les structures de l'oeuf au cours du développement de l'embryon, et
• la foetogenèse, qui décrit le développement d'organes et d'autres caractéristiques du fœtus (humain : à partir du 85^ème jour de grossesse).

Voir morphologie, ou encore : élaboration de nouvelles structures dans un organisme, ceci au niveau des tissus (histogenèse) ou des organes (organogenèse) et la phylogenèse.

En résumé : la morphogenèse est une différenciation accompagnée d'une croissance d'un tissu morphogène, d'un organe ou d'un organisme.

✅ En géologie, la morphogenèse est la formation de structures et de reliefs de la croûte terrestre, dus à différentes causes. Cette naissance s'applique aussi avec la géomorphogenèse et la glyptogenèse.

✅ En botanique, dans le cas d'une culture in vitro de cellules végétales, la morphogenèse est un processus de différenciation de structures organisées à partir d'un explant (cellules, tissu ou organe) ou d'un callus.

Les premières études sur la morphogenèse ont été menées par D'arcy Wentworth Thompson et Alan Turing, qui étaient basés sur la façon dont les fonctions liées aux mathématiques et à la physique influent sur la croissance et le développement des embryons. En bref, l'activation de mécanismes cellulaires et biologiques. L'étude réalisée par ces chercheurs a déclenché un autre travail de recherche qui a abouti à la découverte, en 1953, des données de diffraction des rayons X recueillies par Rosalind Franklin, James D. Watson et Francis Crick, de la structure de l'ADN, biologie moléculaire et apparition de la biochimie.

Ces composants étaient très utiles pour l'étude de la morphogenèse. Bien que les recherches initiales sur la morphogenèse aient été menées il y a près d'un siècle, elles n'avaient même pas commencé au stade de l'hypothèse, quand elles n'étaient pas encore prouvées, que le noyau des cellules contenait des informations génétiques héréditaires. En 1930, J. Hammerling découvrit le contrôle nucléaire de la morphogenèse et l'interaction du noyau avec le cytoplasme. Dans ses premières études morphogénétiques, il utilisa différentes espèces d'arbustes de la famille des acétabulaires Acetabularia. J. Hammerling a utilisé deux espèces différentes : Acetabularia mediterranea et Acetabularia crenulata.

L'acétabulaire est un très grand organisme unicellulaire, atteignant 10 cm de long, composé de trois parties :

• la tête,
• la tige,
• le rhizoïde.

Le seul noyau de cette cellule est situé dans le rhizoïde. L'expérience consistait à échanger entre Hammerling les noyaux des deux espèces, ce qui lui a permis de former la tête caractéristique de celle qui avait fait don du noyau. Ainsi, on a vu que le noyau jouait un rôle dans le contrôle du développement d'Acetabularia.

⭐ Actuellement, la morphogenèse est appliquée pour analyser la composition totale d'un organisme, que ce soit la structure de chaque cellule qui le compose, la capacité des cellules des organismes à créer des tissus et la mise en ordre du corps de chaque être vivant, étudiée à travers d'images microscopiques.

Plusieurs types de molécules sont particulièrement importants lors de la morphogenèse, parmi lesquels les morphogènes, les molécules d'adhésion et les facteurs de croissance, qui, s'ils disparaissent, empêchent une croissance correcte. Les morphogènes sont des molécules solubles qui peuvent se propager et véhiculer les signaux qui contrôlent les décisions de croissance. Il existe des morphogènes qui stimulent la croissance et d'autres qui la ralentissent.

Les morphogènes agissent généralement en se liant à des récepteurs de protéines spécifiques. Une autre classe de molécules impliquées dans la morphogenèse est celle qui contrôle l'adhésion cellulaire. Par exemple, lors de la gastrulation, des groupes de cellules souches déconnectent leurs jonctions intercellulaires, deviennent migrateurs et occupent de nouvelles positions au sein de l'embryon, où ils réactivent des protéines de liaison spécifiques (adhésion cellulaire) et forment de nouveaux tissus et organes.

Des facteurs de croissance et des molécules d'adhésion cellulaire interviennent dans la morphogenèse.

Au cours du développement embryonnaire, les cellules sont limitées à différentes couches en raison d'affinités différentielles. Cela peut exister notamment lorsque les cellules partagent les mêmes adhérences moléculaires de cellule à cellule. Par exemple, une adhésion cellulaire homotypique peut maintenir les limites entre des groupes de cellules avec différentes molécules d'adhésion. De plus, les cellules peuvent être triées sur la base des différences d'adhésion entre les cellules, de sorte que même deux populations de cellules avec des niveaux différents de la même molécule d'adhésion peuvent être classées. Dans une culture cellulaire, les cellules ayant la plus forte adhésion se déplacent vers le centre d'un mélange de cellules agrégées.

Les molécules responsables de l'adhésion sont appelées molécules d'adhésion cellulaire (CAM). Différents types de molécules d'adhésion cellulaire sont connus et une classe importante de ces molécules sont les cadhérines. Il existe des dizaines de cadhérines différentes qui sont exprimées dans différents types de cellules. Les cadhérines se lient aux autres cadhérines de la même manière. Ainsi, la E-cadhérine (présente dans de nombreuses cellules épithéliales) se lie préférentiellement aux autres molécules de la E-cadhérine. Alors que les cellules mésenchymateuses expriment habituellement d'autres types de cadhérine, tels que la N-cadhérine.

Les modifications de forme effectuées par le cytosquelette sont dues aux structures qui le composent, aux filaments d'actine, aux microtubules et aux filaments intermédiaires. Les micro-fragments d'actine sont des filaments minces et flexibles formés par la polymérisation de monomères d'actine. Ces microfilaments peuvent être contractés et relâchés par l'action de la myosine pour déplacer le maintien ou le changement de la forme de la cellule et générer des forces. Le mouvement se fait sur une matrice extracellulaire. Lorsque la myosine se lie à l'ATP, elle peut se déplacer et se lier à des monomères d'actine en liant les filaments et en réduisant la cellule. Il phosphoryle et contracte les filaments d'actine.

Il existe également des signaux externes capables de réguler le cytosquelette via une famille de protéines appelées Rho-Rho, Rac et Cdc42. L'activation des Rho GTPases permet l'activation de la polymérisation de l'actine ainsi que la phosphorylation de la chaîne légère de la myosine. Rho facilite la contraction de l'actomyosine. Des signes tels que des forces, une pression ou des changements d'adhésivité peuvent activer Rho, qui est activé par des intrins et d'autres récepteurs. De cette façon, le cytosquelette reçoit des signaux en continu. Par exemple, un anneau d'actomyosine est rapidement généré lorsqu'une plaie doit être fermée.

La matrice extracellulaire (MEC) est impliquée dans la séparation des tissus, fournissant un support structurel pour la migration des cellules. Le collagène, la laminine et la fibronectine sont les principales molécules de la MEC qui sont sécrétées et assemblées en feuilles, en fibres et en gels. Des récepteurs transmembranaires multi-sous-unités appelés intégrines sont utilisés pour se lier à la MEC. Les intégrines se lient de manière extracellulaire à la fibronectine, à la laminine ou à d'autres composants de la MEC, et intracellulairement à la liaison aux microfilaments des protéines α-actinine et taline responsables de la liaison du cytosquelette à l'extérieur de la cellule. Les intégrines servent également de récepteurs pour activer les cascades de transduction du signal lorsqu'elles sont liées à l'E CM. Un exemple bien étudié de morphogenèse impliquant la NDE est la ramification des conduits dans la glande mammaire.

La migration cellulaire peut avoir lieu individuellement ou collectivement. La migration collective signifie que les cellules ayant les mêmes propriétés migrent en même temps : il existe deux types de cellules bien étudiées qui classifient les cellules épithéliales et les cellules mésenchymateuses, ce qui résulte de l'adhésion cellulaire différentielle.

Au cours du développement embryonnaire, des événements de différenciation cellulaire interviennent au cours desquels les cellules mésenchymateuses deviennent épithéliales et parfois, et inversement, les cellules épithéliales deviennent mésenchymateuses (voir la transition de l'épithélium mésenchymateux). Après la transition épithélio-mésenchymateuse, les cellules peuvent migrer loin de l'épithélium puis s'associer à d'autres cellules similaires à un nouvel emplacement.

Le développement de la crête neurale est un exemple de migration cellulaire.