Diapause

La diapause est une phase génétiquement déterminée dans le développement d'un organisme au cours de laquelle celui-ci diminue l'intensité de ses activités métaboliques.

On considère que l'animal, le végétal ou la cellule (bactérie, champignon, zygote ou ovule fécondé...) adopte une forme de vie ralentie selon des processus physiologiques et biologiques complexes en réponse anticipée à des variations de l'environnement. Il s'agirait donc d'un mécanisme adaptatif permettant aux animaux de résister et de survivre aux variations extrêmes de leur habitat (chaleur, sécheresse ou froidure excessives, nourriture raréfiée...). Il permettrait aussi de synchroniser le cycle de vie de l'organisme (notamment le développement embryonnaire et le cycle reproductif) avec celui des saisons.

Les oiseaux ont développé une autre stratégie pour fuir les mauvaises conditions : la migration ; donc ils ne font pas de diapause.

Correspondant à une période de vie ralentie, la diapause est à déterminisme génétique (dormance prédictive), ce qui la distingue de la quiescence ou de l'hibernation à déterminisme environnemental (dormance conséquentielle).

Différents types de diapauses et exemples dans le monde animal

La diapause adaptative environnementale

Celle-ci est fréquente et bien étudiée chez les insectes, « mais elle est largement répandue dans le monde des invertébrés : autres arthropodes (araignées, petits crustacés d'eau douce ou d'eau saumâtre), vers de terre, nématodes, éponges... ». Les invertébrés (ainsi d'ailleurs que beaucoup de vertébrés comme les poissons ou les reptiles) sont ectothermes, c'est-à-dire qu'ils ne disposent pas d'un mécanisme d'autorégulation de leur température interne ni d'un contrôle métabolique de leur température corporelle par production de chaleur comme les mammifères ou les oiseaux qui sont endothermes ; ils sont aussi poïkilothermes, c'est-à-dire que leur température varie avec celle de leur milieu. Or peu d'invertébrés effectuent des migrations saisonnières (sauf certains papillons, criquets ou libellule par exemple ː voir les articles consacrés à la migration des papillons et à la migration des insectes). Quand vient la saison froide, ils n'ont d'autre choix que d'adopter un mode de vie ralenti dont l'activité métabolique réduite à l'extrême permet à l'insecte (par exemple) de vivre "sur ses réserves" en attendant des jours plus favorables à cette activité. Cette réponse à la contrainte environnementale par la vie ralentie peut n'être qu'une simple quiescence, qui cesse dès le retour de températures plus élevées. En revanche, « la diapause est déclenchée avant l'apparition des facteurs défavorables, et elle n'est pas levée par la seule disparition de ceux-ci ; elle se maintient un certain temps quel que soit l'environnement présent. »

Cette diapause correspond donc à un arrêt du développement (ou à une quasi suspension de l'activité métabolique) au cours de la vie d'un insecte (qu'il soit au stade embryon, larve, nymphe ou adulte). La diapause est déclenchée par un événement extérieur (par exemple la réduction de la longueur du jour en automne) ; elle est levée (le développement ou l'activité métabolique reprennent) lorsque le temps nécessaire exact est passé : dans ce cas, fréquent, l'insecte passe l'hiver sans avoir besoin de trouver sa nourriture et reprend son activité quand la mauvaise saison est définitivement terminée. Ce n'est donc pas la variation de température qui régente la diapause mais l'évolution de la longueur des jours qui est un phénomène plus régulier.

Types de diapause adaptative

La diapause peut être obligatoire ou facultative.

La diapause est obligatoire chez les insectes qui ont une génération par an. Elle est inscrite dans leur programme génétique de développement et synchronisée avec les saisons.

En revanche, pour la diapause facultative, il y a la présence d'un facteur limitant dans les conditions environnementales qui fera que la diapause se produira ou non, et, si elle se produit, elle se présente sous deux formes selon les espèces ː

• l'oligopause : les facteurs déterminants sont la photopériode et la température qui se combinent pour déclencher ensemble tant l'entrée que la sortie de diapause ;
• l'eudiapause : la photopériode détermine seule l'entrée en diapause, et la variation de température détermine seule, pour peu qu'elle dépasse un certain seuil, la sortie de diapause.

Stades diapausants

La diapause peut se produire à n'importe quel moment du développement selon les espèces. Chez les insectes :

• diapause embryonnaire,
• diapause larvaire / nymphale (phase larvaire au cours de laquelle l'insecte acquiert sa forme adulte),
• diapause adulte / imaginale (c'est une diapause reproductive : elle empêche pour un moment la reproduction).

Chez les vertébrés, on ne retrouve bien sûr que des diapauses embryonnaires ou adultes. En fonction de la durée de vie de l'animal, il pourra montrer plusieurs types de diapauses : chez le criquet on a aussi bien une diapause embryonnaire qu'une diapause adulte, et de ce fait celui-ci vit plus longtemps.

Étapes de la diapause

Il y a quatre étapes dans la diapause :

• La pré-diapause : l'animal va constituer des réserves (lipidiques et protéiques principalement) et changer de comportement : par exemple, il va rechercher un environnement protégé.

• L'induction ~ (entrée en diapause) : l'animal arrête de se nourrir ce qui entraîne un arrêt de la croissance et de tout processus reproductif. Il y a aussi un arrêt de toutes les synthèses : ADN (plus de réplication), ARN, et un très fort ralentissement de la production de protéines sauf les DAP ("Diaposis Associated Protein" → complexe protéique associé à la diapause ; à ne pas confondre avec les "Dystrophin-Associated Protein" → complexe protéique associé à la dystrophine, eux aussi appelés DAP ː voir à l'article consacré au muscle la section "Description du muscle strié squelettique "), qui vont s'accumuler dans l'hémolymphe. Mais une régulation de la transcription va se mettre en place pour les DAP. Généralement, l'animal va rester immobile pendant la diapause, il n'y a donc plus de dépense d'énergie. Il reste une très faible activité métabolique, ce qui implique une faible consommation d'oxygène et une déshydratation partielle. La déshydratation partielle va permettre une meilleure résistance au froid. La morphogenèse aussi est stoppée. Les seuls organes et tissus qui resteront légèrement actifs sont les tissus glandulaires. Beaucoup d'insectes changent de couleur en entrant en diapause : par exemple les punaises vont devenir brunes à l'automne. Chez celles-ci, au moment de l'entrée en diapause, on a constaté des modifications morphologiques (atrophie des organes génitaux et/ou inactivation des glandes accessoires ; modification des muscles du vol ː l'insecte devient terrestre et ne peut plus s'envoler, à la sortie de diapause il y a une régénération des muscles du vol), des modifications de comportement (généralement solitaires, elles vont alors se regrouper dans un but dissuasif pour les prédateurs), et des modifications endocrines (diminution de taille de la glande des corps allates chez les femelles).

• Le maintien en diapause : on ne connaît pas avec précision les mécanismes qui interviennent pour maintenir l'organisme en diapause pour une durée qui reste variable. On sait seulement qu'il y a intervention d'hormones ː la régulation de la diapause est donc reliée à un facteur hormonal qui dépend de l'activité des corps allates (glandes endocrines qui sécrètent de la JH ou hormone juvénile, laquelle active la vitellogenèse, soit l'accumulation des réserves dans les ovocytes). L'activation de la JH provoque la sortie de diapause, et l'inhibition de la JH provoque l'entrée en diapause. Cette activité des corps allates est elle-même régulée par le cerveau. Ce qui est logique car, même en situation de dormance et d'activité ralentie, c'est le cerveau qui continue à analyser les stimuli qu'il perçoit, notamment l'évolution de la photopériode, soit le rapport entre les durées respectives du jour et de la nuit. C'est le cerveau qui reste le régulateur en dernier ressort, soit par voie luminale, soit directement par voie nerveuse. Pendant la diapause, les cellules ne se divisent plus. La mitose est donc suspendue et s'arrête en phase G0, G1 ou G2 selon les espèces (voir l'article consacré au cycle cellulaire, notamment les sections "La phase G0 " et "Processus de régulation").

• La sortie ~ (post-diapause) : lorsque les conditions environnementales redeviennent favorables, l'animal va en capter les signaux externes. On assiste alors à la reprise des synthèses basiques (ADN, ARN, protéines), à la disparition des DAP et à la reprise progressive mais rapide de l'activité (alimentation, croissance, reproduction).

La diapause embryonnaire

Principe et espèces concernées

Ce phénomène dit de « diapause embryonnaire » est largement répandu dans le monde animal puisqu’il s’observe chez de nombreux invertébrés (insectes), mais aussi vertébrés (poissons, oiseaux, mammifères). Il consiste, selon les espèces, en un arrêt temporaire ou un ralentissement du développement de l’embryogenèse, s'exprimant parfois, comme dans le cas des mammifères, en une phase d'attente à l'intérieur du corps de la femelle d'un ovule fécondé. Cette diapause embryonnaire se produit à un stade très précis du développement de l'embryon : par exemple chez le tatou le blocage de la segmentation cellulaire se fait au stade 100 cellules embryonnaires + 600 cellules trophoblastiques, c'est-à-dire au stade d'embryon éclos. Chez les marsupiaux il se produit au stade 60 à 100 cellules au total (selon les espèces), donc au stade de blastocyste encapsidé.

La diapause embryonnaire peut elle aussi être facultative (c'est le cas le plus fréquent), c’est-à-dire induite par des conditions physiologiques contingentes, ou bien, plus rarement, obligatoire, c’est-à-dire toujours présente dans chaque gestation d’une espèce, comme un passage obligé du processus reproductif et inscrite dans le programme génétique de développement. Mais celle-ci est toujours elle aussi d’une durée variable en fonction des conditions extérieures, et du laps de temps variable séparant la date de fécondation du moment optimal pour la naissance. En effet, dans ce cas de diapause embryonnaire obligatoire, les signaux déclencheurs proximaux pour la régulation de la durée de la diapause embryonnaire sont eux aussi liés à la photopériode. Ce qui implique que la diapause embryonnaire obligatoire est elle aussi synchronisée avec les saisons.

Chez les mammifères, la diapause embryonnaire obligatoire concerne une ou plusieurs espèces des familles suivantes : Cervidae, Mephitidae (moufettes), Mustelidae (loutres, martres, etc.), Odobenidae (morses), Otariidae, Phocidae, Ursidae (soit otaries, phoques et ours, et quelques autres carnivores), Talpidae (taupes) ; et des ordres suivants : Chiroptera (chauves-souris), Cingulata (tatous), Pilosa (tamanoirs).

Toujours chez les mammifères, la diapause embryonnaire facultative concerne une ou plusieurs espèces des familles suivantes : Soricidae (musaraignes), Cricetidae et Muridae (campagnols, souris, rats), et une quarantaine d’espèces de l’infra-classe des Marsupialia (ou marsupiaux, dont plusieurs espèces de wallabys). On trouvera une liste plus complète, mais non exhaustive, des espèces concernées par la diapause embryonnaire préimplantatoire à la page 164 (ou deuxième page de l'extrait accessible en ligne), Table 1, de l'étude publiée dans The International Journal of Developmental Biology déjà citée.

La diapause embryonnaire de substitution

C'est le cas par exemple du kangourou ː si la mère perd le petit qu'elle a dans sa poche, l'embryon sort de sa diapause embryonnaire et relance le développement embryonnaire. Ce mécanisme permet d'assurer une seconde chance d'avoir un petit.

La diapause embryonnaire d'adaptation au climat

Cette diapause embryonnaire se rencontre également chez plusieurs invertébrés mais aussi chez des vertébrés, et notamment, pour les mammifères, chez le blaireau et le chevreuil, ainsi que chez l'ours, le vison, le phoque et le lion de mer, la musaraigne, la mouffette, la plupart des tatous (famille des Dasypodidae), dont le petit Tatou des Andes, etc..

Mais cette fois, elle permet une mise bas à une période climatique et végétale favorable. En effet, cette diapause embryonnaire fait que la naissance se produit lorsque les conditions de température et de recherche de nourriture sont les plus favorables, par exemple en début d'été (mai-juin pour les chevreuils). Ainsi la naissance intervient plus tard que la date qui était prévisible en fonction de la durée de gestation, laquelle demeure en suspend pour une durée variable permettant de s'ajuster aux variations saisonnières du climat.

La diapause embryonnaire de régulation des portées

Les contraintes environnementales sont donc décisives pour déterminer la longueur de la diapause embryonnaire (qui peut être variable à l’intérieur d’une même espèce, et chez la même femelle au cours de sa vie et au gré des diverses portées), alors que la période gestative proprement dite (soit après l’implantation intra-utérine), est en général toujours la même dans l’espèce au sein d’une fourchette stable.

Mais les contraintes métaboliques sont aussi décisives ː en effet, si une nouvelle conception devait se produire peu après la précédente parturition, alors les petits de la nouvelle portée naîtraient avant que les jeunes de la portée précédente ne soient sevrés, si bien que la quantité de lait disponible pour les nouveau-nés serait sévèrement limitée, et leurs chances de survie gravement compromises.

Mécanisme et explication de la diapause embryonnaire

Description

Ce phénomène est donc appelé « diapause embryonnaire » ou encore « ovo implantation différée » (delayed implantation) : chez les espèces concernées, l’œuf fécondé ou l’embryon ne s’implante pas dans l’utérus maternel immédiatement après la fécondation, mais reste dans un état de croissance suspendue (dormance prédictive en ce cas), bloqué au stade de blastocyste ou blastula et cesse tout développement pendant une période variable, dont la durée est conditionnée à la fois par des facteurs internes et externes. Les embryons, à l'intérieur du corps de la femelle, produisent tout de même leur propre placenta, en attendant leur implantation intra-utérine. Habituellement les embryons proviennent d'un seul zygote. La phase réelle de gestation et de développement embryonnaire commence après la diapause, les deux périodes diapause et gestation déterminant ensemble la durée totale de gravidité.

Il s’agirait donc là d’une stratégie reproductive gagnante qui consisterait en un découplage entre accouplement, fécondation et parturition, afin que ceux-ci interviennent aux moments les plus propices à la survie de l’espèce. Cette stratégie est assez fréquemment employée dans le règne animal, puisqu’entre autres plus de 130 espèces de mammifères l’ont empruntée.

Aspects génétiques, endocriniens et chimiques du processus

Une équipe de chercheurs de la Children’s Research Foundation de Cincinnati aux États-Unis, dirigée par Sudhansu Dey, a étudié en 2013 en détail le processus d’implantation d’un embryon dans l’utérus d’une souris femelle. Ils ont ainsi pu identifier un gène, le MSX₁, qui pourrait jouer un rôle déterminant dans le déclenchement et l’arrêt de la diapause embryonnaire, car ils ont constaté qu’il était particulièrement actif juste avant l’implantation.

Pour tester cette hypothèse, ils ont induit hormonalement un report de grossesse chez des femelles souris, visons et wallabies. Ils ont ainsi constaté que MSX₁ était en effet plus actif lorsque la grossesse était retardée, et ce pour les trois espèces. Les résultats ont aussi confirmé que MSX₁ et les gènes liés sont bien responsables de la production de protéines et sont actifs dans les cellules épithéliales, un type cellulaire particulièrement présent à l’intérieur de l’utérus. On attend de confirmer ces observations chez d’autres espèces qui connaissent la diapause embryonnaire comme les ours polaires et les pandas géants. En tout cas, il s’avère que les gènes MSX, qui constituent une ancienne famille de gènes, ont été préservés durant longtemps et jouent un rôle important dans le phénomène de la diapause embryonnaire .

Par ailleurs, dans l’étude du Centre de Recherche en Reproduction Animale de l’Université de Montréal déjà citée et disponible en ligne, trois modèles différents de diapause embryonnaire ont été étudiés en détail : chez la souris, les carnivores mustélidés et le wallaby.

Il ressort assez nettement de ces observations que, bien que le signal hormonal endocrinien responsable de l’induction de la diapause (comme du redémarrage du développement après la diapause) puisse largement varier d’une espèce à l’autre, on a pu néanmoins dégager un certain nombre de traits communs : les données indiquent à l’évidence que l’utérus exerce toujours une influence régulatrice proximale et décisive sur le déclenchement de la sortie de diapause et de l’implantation de l’embryon. Certains facteurs ont été identifiés comme cruciaux pour cette régulation utérine, en particulier les polyamines.

D’autres études récentes indiquent que la diapause peut être induite artificiellement chez des espèces qui ne la connaissent pas dans la nature. Ceci suggère que la potentialité d’apparition de la diapause chez les mammifères soit due à un événement évolutif singulier adopté comme mécanisme de contrôle favorisant un meilleur succès reproductif. Des travaux ultérieurs aux niveaux moléculaire, cellulaire et de l’organisme seront nécessaires avant que la base physiologique de la diapause ne soit totalement élucidée.

Et chez l'humain ?

Selon Sudhansu Dey (déjà nommé) interrogé par Live Science, une meilleure compréhension de ce processus de la diapause embryonnaire pourrait éventuellement avoir des implications chez l’humain, en jouant sur l’activité de ce gène MSX₁ dont il a contribué à établir le rôle dans le report du processus gestatif :

« Si nous maintenons MSX₁ à des niveaux élevés chez les femmes, peut-être pourrions-nous étendre la phase réceptive pour la fertilisation. »

Mais l’horizon d’une telle possibilité est encore assez lointain et nécessitera plusieurs années de travaux complémentaires, conclut le chercheur.

Voir aussi

Articles connexes

• Embryogenèse
• Hibernation
• Dormance
• Quiescence
• Antibiorésistance

Liens externes

• « TD3 BIODEV : LA DIAPAUSE », sur Université de Lorraine, année académique 2018/19 (consulté le 6 février 2020)
• (en) Jane C. Fenelon, Arnab Banerjee and Bruce D. Murphy. Centre de Recherche en Reproduction Animale, Université de Montréal, St-Hyacinthe QC Canada, « Embryonic diapause: development on hold », sur The International Journal of Developmental Biology, 2014 (consulté le 31 janvier 2020).
• (en) « Implantation », sur uwyo.edu (Université du Wyoming) (consulté le 30 janvier 2020).

Bibliographie

• (en) George Feldhamer, Mammalogy: adaption, diversity, ecology [« Mammalogie : adaptation, diversité, écologie »], Johns Hopkins University Press. Baltimore, Maryland., 2015 (ISBN 978-1421415888).