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# Le Cycle de formation de l'oeuf

Joël Gautron

► To cite this version:

Joël Gautron. Le Cycle de formation de l'oeuf. Doctorat. Master 2 Biologie de la reproduction
Département de Biologie Animale et Génétique Faculté des Sciences et Techniques Université de
Tours, Tours (France), France. 2021. hal-04218045

HAL Id: hal-04218045

https://hal.inrae.fr/hal-04218045

Submitted on 26 Sep 2023

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<figure><img src="image_2.png" /></figure>

Distributed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License
<figure><img src="image_3.png" /></figure>

<figure><img src="image_4.png" /></figure>

# Le Cycle de formation de l'œuf

<figure><img src="image_5.png" /><figcaption>Joël Gautron
INRAE, UMR BOA
Université de Tours
37380 Nouzilly
Joel.gautron@inrae.fr</figcaption></figure>

<figure><img src="image_6.png" /></figure>
> **Production d'œufs**

Les œufs et les poules

<figure><img src="image_7.png" /></figure>
# Performances de (re)production

## 2 types de poules

<table><thead><tr><th></th><th>Pondeuse</th><th>viande</th></tr></thead><tbody><tr><td>Maturité sexuelle</td><td>Précoce</td><td>Tardive</td></tr><tr><td>Age au premier œuf</td><td>16-18 sem</td><td>24-25 sem</td></tr><tr><td>Pic de ponte (90% de ponte)</td><td>22 sem</td><td>28 Sem</td></tr><tr><td>Nb œufs produits/an</td><td>320</td><td>150-200</td></tr><tr><td>Durée de production</td><td>70-90 sem</td><td>Max 40</td></tr></tbody></table>
# Performances de (re)production

<figure><img src="image_8.png" /><figcaption>## Nombre de poules pondeuses en France (milliers)</figcaption></figure>
# Performances de (re)production

<figure><img src="image_9.png" /><figcaption>## Souche pondeuse</figcaption></figure>

<figure><img src="image_10.png" /><figcaption>## Souche chaire</figcaption></figure>
# L'œuf de poule

L'Œuf, un produit de base pour l'alimentation humaine
Chambre isolée pour le développement embryonnaire

Les oiseaux sont ovipares et homéothermes

Fécondation sexuée et interne
Mais développement externe

Température constante à maintenir

<figure><img src="image_11.png" /></figure>

Agressions
physiques

Microbes

<figure><img src="image_12.png" /></figure>

Doit contenir la totalité des composants nécessaires au développement embryonnaire

* Éléments nutritionnels parfaitement équilibrés

* Nombreux composés avec un large spectre d'activités biologiques

* Systèmes de protection (défenses naturelles)

<figure><img src="image_13.png" /></figure>
# Une composition adaptée à la consommation humaine

* L'œuf en tant qu'aliment

* Composition globale du blanc et du jaune d'oeuf

<figure><img src="image_14.png" /></figure>
# Une composition adaptée à la consommation humaine

## L'œuf en tant qu'aliment

* Caractéristiques nutritionnelles de l'œuf pour 100 g (2 œufs)

- **Calories** : 155

- **Protéines totales** : 12,3 g

Valeur biologique élevée (référence OMS 100/ lait vache 86)

- **Lipides totaux** : 11,9 g

- richesse en phospholipides : 31 % (soit 3,4 g)

- Majorité d'acides gras insaturés

- Présence d'acides gras indispensables (acide linoleïque)

- cholestérol : 0,42 g (1,2 g / 100 g de jaune)

- Forte digestibilité: 98% Triglycérides, 90% Phospholipides

- **Richesse en vitamines** :

- Toutes les vitamines sont présentes sauf la vitamine C.

- Grande richesse en Choline (essentielle au développement neuronal)

- **Richesse en minéraux** : phosphore, fer et soufre
# Une composition adaptée à la consommation humaine

## L'œuf en tant qu'aliment

* Qualité nutritionnelle de l'œuf

**L'œuf, une mauvaise réputation non justifiée**

Pourquoi cette mauvaise réputation ?

- 1968 « the american heart association » indique qu'il faut consommer moins de 3 œufs par semaine → association supposée entre cholestérol alimentaire et sanguin

- 26 mars 1984, une de « time magazine » dévastatrice pour l'œuf

- Dès 1995, les recommandations ont changé suite aux résultats obtenus in vitro et in vivo

- Le cholestérol alimentaire n'est pas associé au cholestérol sanguin, mais avec la prise alimentaire d'acides gras saturés (Acide myristique (14:0) et palmitique (16:0))

<figure><img src="image_15.png" /></figure>
# Une composition adaptée à la consommation humaine

## L'œuf en tant qu'aliment

* Qualité nutritionnelle de l'œuf

- L'absorption alimentaire d'acide linoléique (C 18:2 n-6) diminue le taux de cholestérol sanguin et l'acide alpha-linoléique (C18:3 n-3) réduit le risque de maladie cardiovasculaire

- Dans l'œuf, **Les acides gras saturés** dont **l'acide myristique** (14:0) sont faibles et **les acides gras insaturés** dont **l'acide linoléique** sont élevés (1,38 g/100g).

<table><thead><tr><th>Name</th><th>Average Content (g/100g)</th></tr></thead><tbody><tr><td>FA saturated</td><td>2.64</td></tr><tr><td>FA 4:0</td><td>&lt;0.05</td></tr><tr><td>FA 6:0</td><td>&lt;0.05</td></tr><tr><td>FA 8:0</td><td>&lt;0.05</td></tr><tr><td>FA 10:0</td><td>&lt;0.05</td></tr><tr><td>FA 12:0</td><td>&lt;0.05</td></tr><tr><td>FA 14:0</td><td>0.024</td></tr><tr><td>FA 16:0</td><td>1.96</td></tr><tr><td>FA 18:0</td><td>0.65</td></tr><tr><td>FA monounsaturated</td><td>3.66</td></tr><tr><td>FA 18:1 n-9 cis</td><td>3.51</td></tr><tr><td>FA polyunsaturated</td><td>1.65</td></tr><tr><td>FA 18:2 9c,12c (n-6)</td><td>1.38</td></tr><tr><td>FA 18:3 9c,12c,15c (n-3)</td><td>0.061</td></tr><tr><td>FA 20:4 5c,8c,11c,14c (n-6)</td><td>0.12</td></tr><tr><td>FA 20:5 5c,8c,11c,14c,17c (n-3) EPA</td><td>0</td></tr><tr><td>FA 22:6</td><td></td></tr><tr><td>4c,7c,10c,13c,16c,19c (n-3)</td><td>0.09</td></tr><tr><td>DHA</td><td></td></tr><tr><td>Cholesterol</td><td>0.398</td></tr></tbody></table>

Réhault-Godbert et al2019; Nys et al., 2018; Griffin 2011, Miranda et al., 2015: Hayes et al., 1992; Pronczuk et al., 1994
# Une composition adaptée à la consommation humaine

* L'œuf en tant qu'aliment

* Qualité nutritionnelle de l'œuf

**L'œuf est excellent pour la santé.**

<figure><img src="image_16.png" /></figure>

26 mars 1984

**Peut-on manger des œufs tous les jours ?**

**Oui** des études ont montré que si le niveau de cholestérol est normal, on peut consommer de nombreux œufs par jour sans affecter le niveau de cholestérolémie.

Si votre niveau de cholestérol est élevé, il faut ramener sa consommation à 4 par semaine en diminuant les autres sources de protéines animales, les matières grasses (notamment les graisses saturées).

<figure><img src="image_17.png" /></figure>

19 juillet 1999
# Une composition adaptée au développement du poussin

## Un blanc d'œuf riche en eau (88%), protéines et glucides

- Différentes textures de blanc

- Molécules antimicrobiennes

<figure><img src="image_18.png" /></figure>

## Un jaune d'œuf à la composition adaptée

- Le gamète féminin (Disque clair de 3,5 mm)

- Des réserves nutritionnelles (lipides, protéines) et de défenses (anticorps)

- Entouré d'une membrane vitelline fine et translucide
# Une composition adaptée au développement du poussin

## Un blanc d'œuf riche en eau (88%), protéines et glucides

- Différentes textures de blanc

- Molécules antimicrobiennes

<figure><img src="image_19.png" /></figure>

## Des chalazes qui maintiennent le jaune en suspension

Protection du jaune contre les chocs.

Rôle d'amortisseur

## Une coquille minérale

- Assure la protection physique

- Assure la protection thermique

- Assure les échanges gazeux

- Source de calcium pour l'embryon

## Un jaune d'œuf à la composition adaptée

- Le gamète féminin (Disque clair de 3,5 mm)

- Des réserves nutritionnelles (lipides, protéines) et de défenses (anticorps)

- Entouré d'une membrane vitelline fine et translucide
# La formation de l'œuf

## ✓ Quels sont les organes impliqués dans la formation de l'œuf ?

- L'ovaire

- L'oviducte gauche

- Le foie

- Mais plus encore .....

## ✓ Quand se forme l'œuf ?

- Tous les jours (presque)

- Après la maturité sexuelle, mais initiée avant.

## ✓ Quelles en sont les principales étapes ?

- Tout commence sur l'ovaire

- Le foie entre en jeu

- Le jaune est ovulé dans l'oviducte

- Les membranes vitellines sont achevées

- Le blanc d'œuf vient s'accumuler

- Les membranes coquillières sont déposées

- L'œuf est minéralisé

- Il est expulsé via le vagin (oviposition)
# L'appareil reproducteur de la femelle adulte

Seul l'appareil reproducteur gauche se développe lors de la maturité sexuelle

<figure><img src="image_20.png" /></figure>
# Tout commence lors de l'embryogénèse

## La gamétogénèse

* ✓ Oogénèse débute au jour 7 de la vie embryonnaire (ED7) de la future poule → oocytes primaires

* ✓ Jusqu'à ED14 → divisions mitotiques (oocytes primaires diploïdes)

* ✓ Oocytes ne sont PAS renouvelés pendant la vie de la poule et constituent donc le stock final.

* ✓ Du stade ED16 à ED18, début de la méiose bloquée en prophase de la première division. Maintien de ce stade pendant des mois et années (maturité sexuelle et mise en place de la hiérarchie folliculaire)
# Tout commence lors de l'embryogénèse

## La gamétogénèse

* ✓ 12000 oocytes sont présents sur l'ovaire à l'éclosion du poussin

* ✓ Déterminisme sexuel porté par la femelle (à l'opposé des humains)

<figure><img src="image_21.png" /></figure>

<figure><img src="image_22.png" /></figure>
# Tout continue sur l'ovaire

## Le développement folliculaire

* ✓ 12000 oocytes produits durant l'embryogénèse

* ✓ Moins de 2000 formeront un jaune d'oeuf

* ✓ Les oocytes se transforment en follicule à la maturité sexuelle

* ✓ Mise en place d'une hiérarchie folliculaire

* ✓ Sélection des oocytes sous la dépendance des hormones de l'axe hypophysaire-hypothalamique (neuropeptides, gonadotrophines, gonadoliberines, hormones stéroïdiennes).

<figure><img src="image_23.png" /></figure>

Ovaire avec follicules différentiés en développement
# Tout continue sur l'ovaire

## Le développement folliculaire

* ✓ 12000 oocytes produits durant l'embryogénèse

* ✓ Moins de 2000 formeront un jaune d'oeuf

* ✓ Les oocytes se transforment en follicule à la maturité sexuelle

* ✓ Mise en place d'une hiérarchie folliculaire

* ✓ Sélection des oocytes sous la dépendance des hormones de l'axe hypophysaire-hypothalamique (neuropeptides, gonadotrophines, gonadoliberines, hormones stéroïdiennes).

<figure><img src="image_24.png" /></figure>
# Tout continue sur l'ovaire

## Le développement folliculaire

<figure><img src="image_25.png" /></figure>
# Tout continue sur l'ovaire

## La synthèse et le transfert des constituants du jaune

* ✓ Lipides et précurseurs protéiques du jaunes sont synthétisés dans le foie et secrétés dans la circulation sanguine pour atteindre l'ovaire et transfert à l'oocyte.

* ✓ Sous le contrôle des œstrogènes fortement induits à la maturité sexuelle (accroissement 15-20 fois de la lipogenèse et la lipémie)

* ✓ Transfert des précurseurs du jaune dans le follicule ovarien

* ✓ Lipides sont produits et transportés sous formes de VLDL

<figure><img src="image_26.png" /></figure>

Réhault-Godbert et Guyot, *Encyclopedia of Reproduction*, (2018)

* ✓ Chez la poule, les VLDL sont très stables pour permettre leur transport et transfert au jaune. Implication de l'apovittellenin-1 qui est un puissant inhibiteur des lipases
# Tout continue sur l'ovaire

## La synthèse et le transfert des constituants du jaune

* ✓ Intervention importante de la vitellogenine internalisée avec les VLDL et autres composants dans l'oocyte avant leur excrétion sous forme de granules par exocytose

<figure><img src="image_27.png" /></figure>

Réhault-Godbert et Guyot, *Encyclopedia of Reproduction*, (2018)

* ✓ Les Igs du jaunes proviennent du plasma et sont originaires des lymphocytes B
# Le jaune d'œuf

La fonction biologique des constituants du jaune est de fournir à l'embryon des nutriments et des composés biologiquement actifs pour permettre le développement harmonieux du poussin

<table><thead><tr><th></th><th>Jaune (100g)</th></tr></thead><tbody><tr><td>eau</td><td>49</td></tr><tr><td>protéines</td><td>16.1</td></tr><tr><td>sucre</td><td>0.5</td></tr><tr><td>Lipides</td><td>34.5</td></tr><tr><td>Minéraux</td><td>1.6 (P, Ca, K)</td></tr><tr><td>Calories (Kcal)</td><td>364</td></tr><tr><td>Igs</td><td>7-10 mg/ml</td></tr><tr><td>Vitamines</td><td>A, D, E, B1, B2, B3, B5, B6, B8, B12</td></tr></tbody></table>
# Le jaune d'œuf

La fonction biologique des constituants du jaune est de fournir à l'embryon des nutriments et des composés biologiquement actifs pour permettre le développement harmonieux du poussin.

<figure><img src="image_28.png" /></figure>
# Le jaune d'œuf

## Les protéines du jaune

<table><thead><tr><th>Protéine</th><th>% proteine jaune</th></tr></thead><tbody><tr><td>Apo-vitelline 1</td><td>20-22</td></tr><tr><td>Apolipoprotéine B</td><td></td></tr><tr><td>Lipovitelline 1</td><td>33-35</td></tr><tr><td>Lipovitelline 2</td><td></td></tr><tr><td>α livétine</td><td>30</td></tr><tr><td>B livétine</td><td></td></tr><tr><td>Y livetine</td><td></td></tr><tr><td>phosvitine</td><td>11</td></tr><tr><td>Autres protéines (&gt;250)</td><td>2-4</td></tr></tbody></table>

98%

Protéines
majeures

<figure><img src="image_29.png" /></figure>
Tout continue dans l'oviducte

<figure><img src="image_30.png" /></figure>

infundibulum

Membranes vitellines
(< 1 h)

Magnum

blanc
(1h – 4h30)

Isthme

Membranes coquillières
(4h30-6h)

Utérus

Calcification de la coquille
(6h – 24 h)

<figure><img src="image_31.png" /></figure>

<figure><img src="image_32.png" /></figure>
Tout continue dans l'oviducte

<figure><img src="image_33.png" /></figure>
# L'OVULATION

* ✓ Se produit 24-25 heures avant la ponte de l'œuf et dépendante de la photopériode

* ✓ Sous contrôle hormonal (LH) et dépendante de la maturation folliculaire

* ✓ A 14 heures de lumière par jour, la poule pond de 0 à 8 heures après l'allumage avec un décalage quotidien

<table><thead><tr><td>Jour</td><td>Heure de ponte</td></tr></thead><tbody><tr><td>1</td><td>07:15</td></tr><tr><td>2</td><td>07:30</td></tr><tr><td>3</td><td>08:05</td></tr><tr><td>4</td><td>08:30</td></tr><tr><td>....</td><td>....</td></tr><tr><td>n</td><td>11:30</td></tr><tr><td>n+1</td><td>13:00</td></tr><tr><td>n+2</td><td></td></tr><tr><td>N+3</td><td>07:15</td></tr></tbody></table>

Série de ponte

Pause

Nouvelle Série de ponte
Tout continue dans l'oviducte

Infundibulum : Segment proximal de 10 cm
Temps de séjour de l'œuf de 30 minutes

<figure><img src="image_34.png" /></figure>

Captation des oocytes

Dépôt de la couche externe des
membranes vitellines

• 137 protéines identifiées

• Dont protéines de la Zona Pellucida (ZP1, ZP3, ZPC, ZPD...)

<figure><img src="image_35.png" /></figure>

Fécondation éventuelle par les SPZ

Lieu de stockage du sperm (glandes de stockages infundibulaires)

<figure><img src="image_36.png" /></figure>
# Tout continue dans l'oviducte

## Magnum: synthèse et sécrétion du blanc d'œuf

<figure><img src="image_37.png" /></figure>

I

<figure><img src="image_38.png" /></figure>

B

<figure><img src="image_39.png" /></figure>

A

- Synthèse continue des protéines

- Stockage dans des granules de sécrétion

- Stéroïdes sexuels dépendance

- La distension médiée par le passage de l'œuf dans l'utérus induite une sécrétion rapide des protéines accumulées

- Formation des chalazes par rotation de l'oeuf

<figure><img src="image_40.png" /></figure>
# Tout continue dans l'oviducte

## Magnum: synthèse et sécrétion du blanc d'œuf

<table><thead><tr><th></th><th>Blanc</th></tr></thead><tbody><tr><td>eau</td><td>88.6</td></tr><tr><td>protéine</td><td>10.6</td></tr><tr><td>sucre</td><td>0.8</td></tr><tr><td>Lipides</td><td>0.1</td></tr><tr><td>Cendres</td><td>0.5</td></tr><tr><td>Calories (Kcal)</td><td>47</td></tr><tr><td>Vitamines</td><td>B2, Niacin, Folacin</td></tr></tbody></table>

<table><thead><tr><th>Protéine</th><th>% blanc</th></tr></thead><tbody><tr><td>Ovalbumine</td><td>54</td></tr><tr><td>Ovotransferrine</td><td>12</td></tr><tr><td>Ovomucoide</td><td>11</td></tr><tr><td>Ovoglobuline G2</td><td>4</td></tr><tr><td>Ovoglobuline G3</td><td>4</td></tr><tr><td>Ovomucine</td><td>3.5</td></tr><tr><td>Lysozyme</td><td>3.4</td></tr><tr><td>Ovoinhibiteur</td><td>1.4</td></tr><tr><td>Ovoglycoprotéine</td><td>1.0</td></tr><tr><td>Riboflavin-binding protein</td><td>0.8</td></tr><tr><td>Ovomacroglobuline</td><td>0.5</td></tr><tr><td>Cystatine</td><td>0.05</td></tr><tr><td>Avidine</td><td>0.05</td></tr><tr><td>Environ 200 autres protéines</td><td>4.3</td></tr></tbody></table>

95.7%
Protéines majeures
# Tout continue dans l'oviducte

## Magnum: synthèse et sécrétion du blanc d'œuf

Rôle des protéines du blanc dans la protection de l'embryon (défense chimique de l'œuf)

<figure><img src="image_41.png" /><figcaption>Beta-défensine aviaire 11</figcaption></figure>

<figure><img src="image_42.png" /></figure>

OVAX

<figure><img src="image_43.png" /></figure>

### Exemple du lysozyme de blanc d'œuf (Additif E1105)

#### Utilisation comme agent antibactérien

* Conservateur pour les fromages affinés

* Conservateur utilisé en vinification en remplacement du SO₂ (pour éviter la fermentation par les bactéries lactiques)

* Principe actif de médicaments: Cantalene®, Glossithiase®, Hexalyse®, Lyso6®, Lysocline®, Lysopaïne®, Oroseptol® lisozyme®, Rhinobebe®...

<figure><img src="image_44.png" /></figure>

→ Activité antibactérienne

→ Etude des relations structure-fonction

Réhault-Godbert et al., 2013

(12) DEMANDE INTERNATIONALE PUBLIÉE EN VERTU DU TRAITÉ DE COOPÉRATION EN MATIÈRE DE BREVETS (PCT)

(19) Organisation Mondiale de la Propriété Intellectuelle
Bureau international

(43) Date de la publication internationale
8 décembre 2011 (08.12.2011)

<figure><img src="image_45.png" /></figure>

PCT

<figure><img src="image_46.png" /></figure>

(10) Numéro de publication internationale
WO 2011/151407 A1

Réhault-Godbert et al., 2011, Brevet
## Tout continue dans l'oviducte

### Isthme : synthèse et sécrétion des membranes coquillières

<figure><img src="image_47.png" /></figure>

- Constituées d'un réseau de fibres fortement entremêlées

- Nombreuses protéines collagéniques, pseudo-collagéniques insolubles et autres protéines solubles

Les membranes coquillières sont le support de la partie calcifiée de la coquille et constituent la partie non calcifiée de la coquille
## Tout continue dans l'oviducte

### Isthme rouge : dépôt des noyaux mamillaires et initiation de la calcification

Segment tubulaire à l'interface de l'isthme blanc et de l'utérus

<figure><img src="image_48.png" /></figure>

Le carbonate de calcium se dépose en des sites organiques (noyaux mamillaires) en surface de la membrane de l'œuf
Tout continue dans l'oviducte

Eggshell in the context of the egg

Mineral eggshell

- Ensure the physical protection

- Avoid bacterial penetration

- Ensure a thermic protection

- Allow gaz exchanges

- Calcium source for embryo

<figure><img src="image_49.png" /></figure>

Eggshell is the only non-consumable part of an egg.....

... but its quality is crucial for the marketing of the egg and the reproduction
# Desynchronization between calcium intakes and requirements

Calcium come from the diet

Mineralisation occured during the night when there is no diet available

<figure><img src="image_50.png" /></figure>

<table><tr><td>Need for shell calcification</td><td>0</td><td>--+</td><td>+++</td><td>+++</td><td>+++</td><td>+++</td></tr><tr><td>Availability of calcium</td><td>+++</td><td>+++</td><td>0</td><td>0</td><td></td><td></td></tr><tr><td></td><td></td><td>0</td><td>0</td><td></td><td></td><td></td></tr></table>

<figure><img src="image_51.png" /></figure>
# Régulation of calcium metabolism in laying hens

<figure><img src="image_52.png" /></figure>
Tout continue dans l'oviducte

Utérus : Biominéralisation de la coquille

<figure><img src="image_53.png" /></figure>
# Tout continue dans l'oviducte

## Utérus : Biominéralisation de la coquille

* ✓ Eggshell biomineralization in uterus (fast process)

* ✓ 5-6 g of mineral (calcium carbonate) are deposited within a 20 h period

<figure><img src="image_54.png" /></figure>

## Quelle est la composition de la coquille ?

- 95 % de minéral (carbonate de calcium)

- 3,5 % de matière organique (protéines et sucres complexes)

- 1,5 % d'eau
# Tout continue dans l'oviducte

## Utérus : Biominéralisation de la coquille

* ✓ Eggshell biomineralization in uterus (fast process)

* ✓ 5-6 g of mineral (calcium carbonate) are deposited within a 20 h period

<figure><img src="image_55.png" /></figure>

### Mineral supply

<figure><img src="image_56.png" /></figure>

Jonchère, et al., BMC physiology, 2012: Brionne, et al., BMC Genomics, 2014

### Biomineralization

<figure><img src="image_57.png" /></figure>
# Tout continue dans l'oviducte

## Utérus : Biominéralisation de la coquille

$Ca^{++} + HCO_3^- \rightarrow CaCO_3 + H^+ + \text{Organic matrix} \rightarrow \text{Shell}$

<figure><img src="image_58.png" /></figure>
Regulation of mineral supply

3 Potential pathways

<figure><img src="image_59.png" /></figure>
# Involvment of extracellular vesicles in uterus

<figure><img src="image_60.png" /></figure>

Uterus and uterine fluid (TEM)

université
de TOURS

<figure><img src="image_61.png" /></figure>

<figure><img src="image_62.png" /></figure>

<figure><img src="image_63.png" /></figure>

<figure><img src="image_64.png" /></figure>

Exocytosis activity and presence of extracellular vesicles

Do these vesicles contain calcium carbonate?
Presence of CaCO3 in uterine fluid extracellular vesicles

* Uterine fluid in transmission electron microscopy coupled with EELS elemental analysis

<figure><img src="image_65.png" /></figure>

UNIVERSIDAD
DE GRANADA

<figure><img src="image_66.png" /></figure>

Uterine fluid vesicles contain CaCO3
Presence of CaCO3 in uterine fluid extracellular vesicles

Electron diffraction on uterine fluid vesicles to determine the shape of the mineral

<figure><img src="image_67.png" /></figure>

ACC: Amorphous
calcium carbonate

The CaCO3 contained in the vesicles is in amorphous form: ACC
# Eggshell biomineralization

Involvement of vesicular system to transport and stabilize Amorphous calcium carbonate (ACC)

<figure><img src="image_68.png" /></figure>

Adapté de L.Stapane-Doctorat-17/12/19
# Regulation of mineral supply

## 3 Potential pathways

<figure><img src="image_69.png" /></figure>

Adapted from L. Stapane-D-17/12/19

Hodges et Lörcher 1967; Jonchère et al., 2012; Brionne et al., 2014; Nys et Le Roy, 2018
# Tout continue dans l'oviducte

## Utérus : Biominéralisation de la coquille

<figure><img src="image_70.png" /></figure>

Supply of minerals for
shell mineralization

Jonchère, et al., BMC physiology, 2012; Brionne, et al., BMC Genomics, 2014

### 3 main phases in the uterine fluid (acellular milieu)
# Tout continue dans l'oviducte

## Utérus : Biominéralisation de la coquille

→ PROCESSUS UNIVERSEL ET CONSERVE SUR TERRE

* Dépôts de minéraux sous conditions physiologiques dans un organisme vivant qui aboutit à la formation de structures très diversifiées avec des formes, des tailles et des couleurs différentes

### Biominéralisation acellulaire dite contrôlée

<figure><img src="image_71.png" /><figcaption>Perle</figcaption></figure>

<figure><img src="image_72.png" /><figcaption>Coccolithes</figcaption></figure>

<figure><img src="image_73.png" /></figure>

<figure><img src="image_74.png" /><figcaption>Coquilles de mollusques</figcaption></figure>

<figure><img src="image_75.png" /></figure>

<figure><img src="image_76.png" /><figcaption>Corail</figcaption></figure>

<figure><img src="image_77.png" /><figcaption>Coquilles d'oiseaux</figcaption></figure>

<figure><img src="image_78.png" /><figcaption>gastéropodes</figcaption></figure>

<figure><img src="image_79.png" /></figure>
# Tout continue dans l'oviducte

## Utérus : Biominéralisation de la coquille

→ PROCESSUS UNIVERSEL ET CONSERVE SUR TERRE

Malgré la diversité de formes et de fonctions, les structures biominérales se forment toujours selon les mêmes principes

<figure><img src="image_80.png" /></figure>
# Tout continue dans l'oviducte

## Utérus : Biominéralisation de la coquille

→ PROCESSUS UNIVERSEL ET CONSERVE SUR TERRE

Malgré la diversité de formes et de fonctions, les structures biominérales se forment toujours selon les mêmes principes

→ 95% de carbonate de calcium sous forme de calcite

<figure><img src="image_81.png" /><figcaption>Calcite</figcaption></figure>

<figure><img src="image_82.png" /><figcaption>Aragonite</figcaption></figure>

<figure><img src="image_83.png" /><figcaption>Vatérite</figcaption></figure>

<figure><img src="image_84.png" /></figure>

→ 3,5% de matière organique (matrice organique)

*Protéines et protéoglycanes*
# Tout continue dans l'oviducte

## Utérus : Biominéralisation de la coquille

→ PROCESSUS UNIVERSEL ET CONSERVE SUR TERRE

Malgré la diversité de formes et de fonctions, les structures biominérales se forment toujours selon les mêmes principes

Un espace biologiquement compartimenté (utérus pour la poule)

C'est dans cet espace que les entrées ioniques et organiques sont contrôlées pour atteindre les conditions physico-chimiques précises

Une hypersaturation du milieu

→ Les ions constitutifs du minéral doivent se trouver en conditions saturantes

La nucléation et la croissance du minéral

→ L'initiation de la cristallisation se fait à partir de sites se trouvant dans le milieu (nucléation)

La matrice organique joue souvent ce rôle dans les biominéraux

- Elle inhibe la croissance du minéral selon un ou plusieurs axes

<figure><img src="image_85.png" /></figure>
# Tout continue dans l'oviducte

## Utérus : Biominéralisation de la coquille

→ PROCESSUS UNIVERSEL ET CONSERVE SUR TERRE

Malgré la diversité de formes et de fonctions, les structures biominérales se forment toujours selon les mêmes principes

**Un espace biologiquement compartimenté (utérus pour la poule)**

C'est dans cet espace que les entrées ioniques et organiques sont contrôlées pour atteindre les conditions physico-chimiques précises

**Une hypersaturation du milieu**

→ Les ions constitutifs du minéral doivent se trouver en conditions saturantes

**La nucléation et la croissance du minéral**

→ L'initiation de la cristallisation se fait à partir de sites se trouvant dans le milieu (nucléation)

**La matrice organique joue souvent ce rôle dans les biominéraux**

- Elle inhibe la croissance du minéral selon un ou plusieurs axes

<figure><img src="image_86.png" /></figure>
# Tout continue dans l'oviducte

## Utérus : Biominéralisation de la coquille

→ PROCESSUS UNIVERSEL ET CONSERVE SUR TERRE

→ Séquence temporale de la nucléation, de la croissance

→ Modulée par la matrice organique

<figure><img src="image_87.png" /></figure>

→ Identification et caractérisation des protéines de la matrice organique
# Tout continue dans l'oviducte

## Utérus : Biominéralisation de la coquille

→ PROCESSUS UNIVERSEL ET CONSERVE SUR TERRE

<figure><img src="image_88.png" /><figcaption>Gallus gallus</figcaption></figure>

<figure><img src="image_89.png" /><figcaption>coturnix japonica</figcaption></figure>

<figure><img src="image_90.png" /><figcaption>Meleagris gallopavo</figcaption></figure>

<figure><img src="image_91.png" /><figcaption>Anas platyrhynchos</figcaption></figure>

<figure><img src="image_92.png" /></figure>

<figure><img src="image_93.png" /></figure>
# Tout continue dans l'oviducte

## Utérus : Biominéralisation de la coquille

→ PROCESSUS UNIVERSEL ET CONSERVE SUR TERRE

<figure><img src="image_94.png" /><figcaption>Gallus gallus</figcaption></figure>

<figure><img src="image_95.png" /><figcaption>Numida meleagris</figcaption></figure>

<figure><img src="image_96.png" /><figcaption>Struthio</figcaption></figure>

<figure><img src="image_97.png" /><figcaption>Sankofa pyrenaica</figcaption></figure>

<figure><img src="image_98.png" /></figure>

<figure><img src="image_99.png" /></figure>
# Tout continue dans l'oviducte

## Utérus : Biominéralisation de la coquille

→ PROCESSUS UNIVERSEL ET CONSERVE SUR TERRE

<figure><img src="image_100.png" /></figure>
# Tout continue dans l'oviducte

## Utérus : Biominéralisation de la coquille

→ PROCESSUS UNIVERSEL ET CONSERVE SUR TERRE

<figure><img src="image_101.png" /><figcaption>La coquille des œufs d'oiseaux possède des propriétés mécaniques remarquables</figcaption></figure>
# Tout continue dans l'oviducte

## Utérus : Biominéralisation de la coquille

<figure><img src="image_102.png" /><figcaption>Premier évènements de nucléation</figcaption></figure>

### Time 1 (5-6 h Post ovulation):

Particules d'ACC se déposent de manière massive sur la totalité des membranes coquillières
# Tout continue dans l'oviducte

## Utérus : Biominéralisation de la coquille

### ✓ Role of amorphous calcium carbonate (ACC)

<figure><img src="image_103.png" /></figure>

<figure><img src="image_104.png" /></figure>

ACC

Calcite

Calcite formation

<figure><img src="image_105.png" /></figure>

**Time 2 (6-7 h post ovulation):**
Transformation directe de l'ACC en aggrégats de calcite sur les noyaux mammillaires
## Tout continue dans l'oviducte

### Utérus : Biominéralisation de la coquille

#### La phase initiale

<figure><img src="image_106.png" /></figure>

<figure><img src="image_107.png" /></figure>

Peu à peu les noyaux mamillaires sont recouverts de calcite
## Tout continue dans l'oviducte

### Utérus : Biominéralisation de la coquille

#### La phase initiale

<figure><img src="image_108.png" /></figure>

<figure><img src="image_109.png" /></figure>

La couche calcifiée est étroitement liée aux
fibres de la membrane de la coquille
# Tout continue dans l'oviducte

## Utérus : Biominéralisation de la coquille

### La phase initiale

<figure><img src="image_110.png" /></figure>

<figure><img src="image_111.png" /></figure>

Les noyaux mamillaires recouverts de carbonate de calcium (calcite) forment des cônes qui fusionnent au fur et à mesure que la calcification se poursuit
## Tout continue dans l'oviducte

### Utérus : Biominéralisation de la coquille

### La phase de croissance

<figure><img src="image_112.png" /></figure>

<figure><img src="image_113.png" /></figure>

Les noyaux mamillaires recouverts de carbonate de calcium (calcite) forment des cônes qui fusionnent au fur et à mesure que la calcification se poursuit
## Tout continue dans l'oviducte

### Utérus : Biominéralisation de la coquille

### La phase de croissance

<figure><img src="image_114.png" /></figure>

<figure><img src="image_115.png" /></figure>

Surface de la couche calcifiée avec apparition d'un pore obtenu en absence de fusion des pores
# Tout continue dans l'oviducte

## Utérus : Biominéralisation de la coquille

### La phase terminale

<figure><img src="image_116.png" /></figure>

<figure><img src="image_117.png" /></figure>

En surface de la couche calcifiée apparaît une couche monocristalline de calcite (Couche des cristaux verticaux)
# Tout continue dans l'oviducte

## Utérus : Biominéralisation de la coquille

### La phase terminale

<figure><img src="image_118.png" /></figure>

La minéralisation s'arrête. Une fine couche de matière organique vient se déposer en surface (cuticule)

<figure><img src="image_119.png" /></figure>
## Tout continue dans l'oviducte

### Utérus : Biominéralisation de la coquille

#### La phase terminale

<figure><img src="image_120.png" /></figure>

La cuticule recouvre la totalité de l'œuf. En séchant, elle se fissure pour permettre les échanges gazeux via les pores

<figure><img src="image_121.png" /></figure>
## Utérus : Biominéralisation de la coquille

<figure><img src="image_122.png" /></figure>

Rôle déterminant des protéines de la matrice

### Approches globales et non hiérarchisées

* ✓ Plus de 900 protéines

* ✓ Plus de 600 transcrits spécifiques

### Lesquelles ?

### Quand ?

### Où ?

### Pourquoi faire ?

### Comment faire ?

<figure><img src="image_123.png" /></figure>
# Tout continue dans l'oviducte

## Utérus : Biominéralisation de la coquille

## Hiérarchiser les acteurs moléculaires prépondérants lors du processus de minéralisation

### Etudes à différents stades de la minéralisation

<figure><img src="image_124.png" /></figure>

High-throughput quantitative proteomics, Uterine RNA-seq, statistical and bioinformatic functional analyses of matrix proteins

### To sort major protein candidates involved in particular key points of the eggshell mineralization

<figure><img src="image_125.png" /></figure>
# Identification of molecular actors involved in eggshell calcification

<figure><img src="image_126.png" /></figure>

Impact
(2013-2017)

<figure><img src="image_127.png" /></figure>

4502 Differentially
genes

1335
secreted
proteins
(29,6 %)

<figure><img src="image_128.png" /></figure>

04 eggshell
matrix
proteins

<figure><img src="image_129.png" /></figure>

444 Main candidate proteins to be
involved in the shell
biomineralization process
# Tout continue dans l'oviducte

## Utérus : Biominéralisation de la coquille

### Hiérarchiser les acteurs moléculaires prépondérants lors du processus de minéralisation

### Etudes à différents stades de la minéralisation

<figure><img src="image_130.png" /></figure>

### Proteomics and transcriptomics:
Distribution and variation of abundance of 444 matrix proteins

### Predicted functional activities of the identified matrix proteins ?

(Marie et al., 2014, 2015a,b)

#### Literature, data mining and bioinformatics tools

#### Classification in 3 different groups according to their potential functions

<figure><img src="image_131.png" /></figure>

#### Impact
(2013-2017)

Associated to mineralization
process

Involved in the regulation of
activity of proteins

Antimicrobial and other
proteins

<figure><img src="image_132.png" /></figure>
# Eggshell biomineralization

## ☐ Proteins having a direct involvement in eggshell mineralization

### ✓ Proteins with established role in the biomineralisation

<figure><img src="image_133.png" /></figure>

### Ovotransferrin is a Matrix Protein of the Hen Eggshell Membranes and Basal Calcified Layer

J. GAUTRONª, M.T. HINCKEᵇ, M. PANHELEUXª, J.M. GARCIA-RUIZᶜ, T. BOLDICKEᵈ and Y. NYSª,ᵇ

<figure><img src="image_134.png" /></figure>
# Eggshell biomineralization

## ☐ Proteins having a direct involvement in eggshell mineralization

### ✓ Proteins with established role in the biomineralisation

<figure><img src="image_135.png" /></figure>

Freeman et al, 2010

<figure><img src="image_136.png" /><figcaption>**Figure 1.** Ovocleidin-17 bound to an amorphous (a) and a crystallized (b) calcium carbonate nanoparticle containing 192 formula units. The</figcaption></figure>
# Eggshell biomineralization

## ☐ Proteins having a direct involvement in eggshell mineralization

* ✓ Proteins with established role in the **biomineralisation**

* ✓ Calcium binding proteins (CaBPs) interacting with calcium, favoring crystal nucleation and driving the morphology of crystals

* Proteins with EF-hand and EGF-like calcium binding domains

* ✓ Proteoglycans and proteoglycan binding proteins

* proteoglycans have a negative charge to attract Ca2+ ions

<figure><img src="image_137.png" /></figure>
# Eggshell biomineralization

## Proteins involved in the regulation of proteins driving mineralization

* ✓ Proteins involved in the proper folding of the eggshell matrix to ensure calcium and mineral interactions and to ensure template to the mineralized structure

* ✓ Proteins inhibiting or activating proteins present in the mineralization milieu (non cellular).
  → Direct interaction with other proteins.

* ▪ Molecular chaperone interact with proteins driving mineralization

* ▪ Proteases and protease inhibitors (specific and controlled role during calcification process, either by degrading proteins or regulating processing of proteins into their mature forms)

* ✓ Mineralization depends on the degree of protein phosphorylation

* ▪ Kinases and Phosphatases

<figure><img src="image_138.png" /></figure>
# And now ?

## Physiology

Understand the mechanisms of shell
manufacturing and determine the origin of
its weaknesses

<figure><img src="image_139.png" /></figure>

<figure><img src="image_140.png" /></figure>

## Genetics

Classical and genomic selection

## Recent Developments and Future Prospects :

* ✓ Genomic selection (precision, taking into account the male effect)

* ✓ Taking into account scientific advances in the knowledge of mechanisms

* ✓ Candidate gene approach

* Mapping genes coding matrix proteins to detect polymorphisms and haplotype related to good quality shell

<figure><img src="image_141.png" /><figcaption>Candidate Genes of eggshell calcification in laying hens
(CACAO)</figcaption></figure>

<figure><img src="image_142.png" /></figure>

<figure><img src="image_143.png" /><figcaption>Eggshell Calcification Polymorphism Candidates (POLCACAO)</figcaption></figure>

PEGASE

Au cœur de la recherche
et de la formation
en production animale
# Utilisation des avancées récentes en génétique et génomique pour améliorer la solidité de la coquille

Stratégie de sélection pour améliorer les défenses naturelles de l'œuf

## Sélection génomique assistée par marqueurs (MAS)

<figure><img src="image_144.png" /></figure>

- Polymorphisme simple de nucléotide (SNP) (ex: G/C)

- Polymorphisme simple de nucléotide (SNP) (ex: G/C)

- Pas de changement dans la séquence en acides aminés
Mutation silencieuse
# Utilisation des avancées récentes en génétique et génomique pour améliorer la solidité de la coquille

Stratégie de sélection pour améliorer les défenses naturelles de l'œuf

## Sélection génomique assistée par marqueurs (MAS)

<figure><img src="image_145.png" /></figure>

- Polymorphisme simple de nucléotide (SNP) (ex: G/C)

- Polymorphisme simple de nucléotide (SNP) (ex: G/C)

- Changement dans la séquence en acides aminés
- Changement de fonction
# Utilisation des avancées récentes en génétique et génomique pour améliorer la solidité de la coquille

Stratégie de sélection pour améliorer les défenses naturelles de l'œuf

## Sélection génomique assistée par marqueurs (MAS)

<figure><img src="image_146.png" /></figure>

- Polymorphisme simple de nucléotide (SNP) (ex: G/C)

- Polymorphisme simple de nucléotide (SNP) (ex: G/C)

- Insertion d'un codon stop
Mutation délétère

- Nouvelle protéine avec une autre fonction ou pas
# Utilisation des avancées récentes en génétique et génomique pour améliorer la solidité de la coquille

Stratégie de sélection pour améliorer les défenses naturelles de l'œuf

## Sélection génomique assistée par marqueurs (MAS)

<figure><img src="image_147.png" /></figure>

Polymorphisme simple de nucléotide (SNP) (ex: G/C)

Polymorphisme simple de nucléotide (SNP) (ex: G/C)
# Utilisation des avancées récentes en génétique et génomique pour améliorer la solidité de la coquille

Stratégie de sélection pour améliorer les défenses naturelles de l'œuf

## Sélection génomique assistée par marqueurs (MAS)

<figure><img src="image_148.png" /></figure>
Complementarity of information between
proteomics (candidate genes) and genomics results
(QTL / Sequencing).

<figure><img src="image_149.png" /></figure>
# Utilisation des avancées récentes en génétique et génomique pour améliorer la solidité de la coquille

## Stratégie de sélection pour améliorer les défenses naturelles de l'œuf

## Sélection génomique assistée par marqueurs (MAS)

### Les SNPs ont des conséquences sur le phénotype

Le phénotype décrit l'ensemble des caractères observables d'un individu. Il dépend de l'expression des gènes (génotype) et de l'environnement (epigénétique)

### Les SNPs sur les gènes de la matrice organique de la coquille de l'œuf ont des conséquences sur le phénotype de la coquille de l'œuf

- Nombre d'œufs cassés

- Résistance à la rupture

- Epaisseur de coquille

- Module élastique de la coquille

- Etc...
# Utilisation des avancées récentes en génétique et génomique pour améliorer la solidité de la coquille

## Sélection génomique assistée par marqueurs (MAS)

### GENOTYPAGE

- Prélèvement d'un échantillon de sang des poules pondeuses

- Recherche des SNPs (Puces à génotypage)

### PHENOTYPAGE

- Recueil des œufs pondus par les poules

- Mesure des propriétés biomécaniques

- Nombre d'œufs cassés

- Résistance à la rupture

- Epaisseur de coquille

- Module élastique de la coquille

- Etc...

### STATISTIQUES

- Test d'association

- Test statistique pour identifier un SNP associé avec une modification de solidité de la coquille
# Utilisation des avancées récentes en génétique et génomique pour améliorer la solidité de la coquille

## Stratégie de sélection pour améliorer les défenses naturelles de l'œuf

<figure><img src="image_150.png" /></figure>

INRA

SRA STATION DE RECHERCHES AVOÇOLES
Noisy, 37380 MONNAIE, FRANCE

Ian Dunn, Maureen Bain

Roslin Institute, University of Glasgow

<figure><img src="image_151.png" /></figure>

## Sélection assistée par marqueurs (MAS)

### Approche gènes candidats

(Environ 16000 génotypages pour 8 gènes et 2066 descendants)

<table><thead><tr><th>Tests d'association</th><th>P value</th></tr></thead><tbody><tr><td>Ovocleidin-116<br>Module élastique</td><td>P= 0.0004</td></tr><tr><td>Ovocalyxin 32<br>Déformation à la fracture</td><td>P= 0.006</td></tr><tr><td>Ovocalyxin 32<br>Résistance à la rupture</td><td>P= 0.001</td></tr></tbody></table>

Les études d'associations suggèrent que les gènes candidats peuvent expliquer les variations des propriétés structurales de la coquille de l'oeuf de poule.