L’endoderme est l’une des couches germinales — agrégats de cellules qui s’organisent tôt au cours de la vie embryonnaire et à partir desquelles tous les organes et tissus se développent. Tous les animaux, à l’exception des éponges, forment deux ou trois couches de germes par un processus appelé gastrulation. Pendant la gastrulation, une boule de cellules se transforme en un embryon à deux couches constitué d’une couche interne d’endoderme et d’une couche externe d’ectoderme. Chez les organismes plus complexes, comme les vertébrés, ces deux couches germinales primaires interagissent pour donner naissance à une troisième couche germinale, appelée mésoderme. Indépendamment de la présence de deux ou trois couches, l’endoderme est toujours la couche la plus interne. L’endoderme forme l’épithélium — un type de tissu dans lequel les cellules sont étroitement liées pour former des feuilles — qui tapisse l’intestin primitif. À partir de cette muqueuse épithéliale de l’intestin primitif, des organes tels que le tube digestif, le foie, le pancréas et les poumons se développent.

Tout au long des premiers stades de la gastrulation, un groupe de cellules appelé mésendoderme exprime des ensembles de gènes spécifiques à l’endoderme et au mésoderme. Les cellules du mésendoderme ont la capacité de se différencier en mésoderme ou en endoderme, en fonction de leur position parmi les cellules environnantes. Les scientifiques ont découvert que le mésendoderme est répandu parmi les invertébrés, y compris le nématode Caenorhabditis elegans et l’oursin violet, Strongylocentrotus purpuratus. Chez les vertébrés, le mésendoderme a été trouvé chez le poisson zèbre, Danio rerio, et a été indiqué chez la souris, Mus musculus.

L’endoderme, ainsi que les deux autres couches de germes, a été découvert en 1817 par Christian Pander, doctorant à l’Université de Würzburg, à Würzburg, en Allemagne. Dans sa thèse, Beiträge zur Entwickelungsgeschichte des Hühnchens im Eie (Contributions à l’histoire du développement de la Poule dans l’œuf), Paner a décrit comment deux couches donnent naissance à une troisième dans l’embryon du poussin (Gallus gallus). La description de la formation de ces couches par Pander est le premier récit de la gastrulation chez le poussin, et elle a fondé de futures études des couches germinales. Martin Rathke de l’Université de Königsberg, à Königsberg, en Prusse (plus tard en Pologne), a rapidement trouvé des preuves dans une écrevisse en développement, Astacus astacus, des deux couches décrites par Paner. La découverte de Rathke a marqué la première découverte d’endoderme et d’ectoderme chez un invertébré, mais cette information n’a pas été étudiée plus avant deux décennies.

Les couches germinales ont attiré l’attention de nombreux scientifiques au XIXe siècle. Karl Ernst von Baer, de l’Université de Königsberg, a étendu le concept de couches germinales à tous les vertébrés dans son texte de 1828 Über die Entwickelungsgeschichte der Thiere. Beobachtung und Reflexion (Sur l’histoire du développement des Animaux.Observations et réflexions). Vingt ans plus tard, l’historien de la nature Thomas Henry Huxley, en Angleterre, a appliqué le concept de couches de germes de Pander aux méduses. Dans son article de 1849 intitulé « On the Anatomy and Affinities of the Family of the Medusae », Huxley a noté que les deux couches de cellules qu’il a vues chez les méduses adultes se rapportaient l’une à l’autre de la même manière que les couches germinales des embryons de poussins décrites par Pander. L’association que Huxley a faite entre le plan corporel de la méduse adulte et l’embryon de vertébré a relié l’étude de la croissance et du développement, appelée ontogénie, à l’étude des relations entre les organismes, appelée phylogénie. Le soutien de Huxley à une relation entre l’ontogenèse et la phylogénie, plus tard connue sous le nom de théorie de la récapitulation, deviendra fondamental pour les travaux de scientifiques de la fin du XIXe siècle, comme Charles Darwin, en Angleterre, et Ernst Haeckel à l’Université d’Iéna, à Iéna, en Allemagne. Ceux-ci et d’autres scientifiques ont commencé à se tourner vers les embryons pour trouver des preuves d’évolution.

Dans les années 1860, les chercheurs ont comparé les couches de germes à travers le règne animal. À partir de 1864, l’embryologiste Aleksandr Kovalevsky, qui a étudié l’embryologie à l’Université de Saint-Pétersbourg, à St. Petersburg, en Russie, a étudié les invertébrés. Ses recherches ont montré que les embryons d’invertébrés avaient les mêmes couches germinales primaires, endoderme et ectoderme, que les embryons de vertébrés, et que les couches surgissaient de la même manière à travers le règne animal. Les découvertes de Kovalevsky ont convaincu beaucoup de gens de l’universalité des couches germinales — un résultat que certains scientifiques ont fait un principe de la théorie des couches germinales. La théorie des couches germinales soutenait que chacune des couches germinales, quelle que soit l’espèce, donnait naissance à un ensemble fixe d’organes. Ces organes ont été jugés homologues à travers le règne animal, unissant efficacement l’ontogenèse à la phylogénie. Des scientifiques comme Haeckel en Allemagne et Edwin Ray Lankester à l’University College de Londres, à Londres, en Angleterre, ont convaincu beaucoup d’entre eux d’accepter la théorie des couches germinales à la fin du XIXe siècle.

Alors que la théorie de la couche germinale a recueilli un large soutien, tout le monde ne l’a pas acceptée. À partir de la fin du XIXe siècle, des embryologistes tels qu’Edmund Beecher Wilson, aux États-Unis, et Wilhelm His et Rudolf Albert von Kölliker, tous deux en Allemagne, se sont opposés à l’universalité absolue des couches germinales que la théorie exigeait. Ces opposants à la théorie des couches germinales appartenaient principalement à une nouvelle tradition d’embryologistes — ceux qui utilisaient des manipulations physiques d’embryons pour la recherche. Dans les années 1920, des expériences menées par des scientifiques comme Hans Spemann et Hilde Mangold, en Allemagne, et Sven Hörstadius, en Suède, ont conduit les scientifiques à démanteler la théorie des couches germinales.

Les scientifiques du début du XXe siècle ont cherché à expliquer plus en détail les couches germinales en étudiant comment les embryons se transformaient d’une cellule à des milliers de cellules. Parmi ces embryologistes, Edwin Grant Conklin de l’Université de Pennsylvanie, à Philadelphie, en Pennsylvanie, a été l’un des premiers à tracer des lignées cellulaires à partir du stade unicellulaire. Dans son texte de 1905 intitulé The Organization and Cell-lineage of the Ascidian Egg, Conklin a cartographié les divisions et la spécialisation subséquente des cellules dans l’embryon d’un ascidien, ou gicleur de mer, un type d’invertébré marin qui développe une couche externe dure et s’accroche au fond de la mer. En créant un tracé, ou une carte du destin, de la voie de développement de chacune des cellules, Conklin a localisé les cellules précurseurs, tracé la formation de chacune des couches germinales et a montré que même à des stades très précoces de développement, la capacité de certaines cellules à se différencier devient limitée.

Les expériences de cartographie du destin de Conklin, ainsi que les questions sur la capacité des cellules à se différencier, ont influencé des scientifiques comme Robert Briggs, à l’Université de l’Indiana à Bloomington, Indiana, et son collaborateur, Thomas King, à l’Institute for Cancer Research de Philadelphie, Pennsylvanie. Dans les années 1950, Briggs et King ont commencé une série d’expériences pour tester la capacité de développement des cellules et des embryons. En 1957, Briggs et King ont transplanté des noyaux de l’endoderme présumé de la grenouille léopard du Nord, Rana pipiens, dans des œufs dont ils avaient retiré les noyaux. Cette technique, que Briggs et King ont contribué à créer, appelée transplantation nucléaire, leur a permis d’explorer le moment de la différenciation cellulaire, et la technique est devenue une base pour de futures expériences de clonage. À partir de leurs expériences de transplantation nucléaire, Briggs et King ont découvert que lors de la différenciation endodermique, la capacité du noyau à aider les cellules à se spécialiser devient progressivement restreinte. Ce résultat a été soutenu en 1960 par les travaux de John Gurdon, à l’Université d’Oxford à Oxford, en Angleterre. Gurdon a recréé les expériences de Briggs et King en utilisant la grenouille à griffes africaine, Xenopus laevis, et Gurdon a constaté qu’il existe des différences significatives entre les espèces dans le taux et le moment de l’apparition de ces restrictions endodermiques.

Pendant que Briggs, King et Gurdon travaillaient à comprendre la restriction du destin des cellules endodermiques, d’autres scientifiques, comme Pieter Nieuwkoop, de l’Académie Royale néerlandaise des Arts et des Sciences, à Utrecht, en Hollande, ont étudié la formation des couches germinales. En 1969, Nieuwkoop a publié un article intitulé « La formation du mésoderme chez les amphibiens Urodèles. I. Induction par l’endoderme « , dans lequel il a examiné les interactions de l’endoderme et de l’ectoderme. Nieuwkoop a divisé les embryons de la salamandre, Ambystoma mexicanum, en régions d’endoderme présumé et d’ectoderme présumé. Lorsqu’il a été laissé se développer isolément, le mésoderme ne s’est pas formé. Mais lorsqu’il a recombiné les deux tissus, l’endoderme a induit la formation de mésoderme dans les régions adjacentes de l’ectoderme.

Bien que les scientifiques aient retracé le devenir de l’endoderme, étudié la capacité des cellules endodermiques à se différencier et examiné le potentiel d’induction de ces cellules, ils n’ont pas étudié les voies moléculaires qui spécifient et modèlent l’endoderme avant les années 1990. De ces études est née la théorie selon laquelle les signaux maternels, ou les effets sur le développement que la mère contribue à l’ovule avant la fécondation, agissent à travers trois familles principales de gènes codant pour les protéines pour aider à réguler la différenciation précoce de l’endoderme. Ces signaux sont les protéines β-caténine, VegT et Otx. Les voies moléculaires impliquées dans les étapes ultérieures de la différenciation et de la structuration de l’endoderme sont différentes d’une espèce à l’autre, en particulier les facteurs de transcription ou les protéines qui aident à réguler l’expression des gènes. Les facteurs de GATA en particulier sont exprimés dans le mésendoderme et sont nécessaires à la différenciation de l’endoderme. Bien que certains éléments génétiques soient conservés dans le règne animal, comme la β-caténine, certaines parties de la voie d’induction de l’endoderme, en particulier des signaux tels que les protéines Nodale et Wnt, sont spécifiques aux vertébrés. En 2002, Eric Davidson et ses collègues du California Institute of Technology à Pasadena, en Californie, ont annoncé le réseau complet de gènes qui régulent la spécification de l’endoderme et du mésoderme chez les oursins dans leur article, « A Genomic Regulatory Network for Development. »Davidson a confirmé ce réseau de gènes dans un article co-écrit publié en 2012.