2. principes de différenciation 3....
TRANSCRIPT
1. Définitions
Organisme pluricellulaire
Les cellules sont les unités structurales et fonctionnelles de chaque
organisme (uni ou pluricellulaire)
Un organisme pluricellulaire est un être vivant constitué de plusieurs cellules
formant un ensemble ordonné et intégré
Un organisme est autonome pour son développement, sa survie et sa
reproduction
Chaque type cellulaire est spécialisé pour accomplir des fonctions
spécifiques
Chaque catégorie cellulaire est généralement regroupée en tissus et organes
Différenciation responsable des particularités de la physiologie cellulaire : taille, forme, polarité, activité métabolique, sensibilité aux stimuli, expression de gènes peuvent tous être modifiés durant la différenciation
Processus pendant lequel une cellule peu ou pas différenciée acquiert les
caractéristiques d’un type cellulaire sur le plan morphologique et fonctionnel
Cellule souche Cellule différenciée
Evènements biochimiques et moléculaires
1. Définitions
Différenciation
Au cours du développement formation d’un organisme pluricellulaire à partir d’un zygote unicellulaire Pendant l’âge adulte régénération tissulaire (réparation de lésions)
Cellules qui vont former les gamètes (spermatozoïdes et ovocytes)
Elles siègent dans les gonades et assurent la reproduction de l’espèce
Elles transmettent à la descendance des mutations qu’elles auraient acquises
1. Définitions
Cellules de la lignée germinale
Cellules d’un individu autres que les cellules germinales et les cellules souches
Elles ne transmettent pas à la descendance des mutations qu’elles auraient
acquises
Elles transmettent éventuellement des mutations acquises sous forme clonale à
des cellules filles
Cellules somatiques
1
2
3
4 4
1 Division symétrique d’une cellule souche
2 Division asymétrique d’une cellule souche
3 Division d’un progéniteur
4 Différenciation terminale
Notion de niche
Cellule commise
1. Définitions
Cellules souches
Totipotente
Pluripotente
Multipotente
Unipotente
Cellule différenciée
(en G0)
Capacité de prolifération
Etat de différenciation
Potentialité de prolifération
1. Définitions
Potentialité de prolifération
1. Définitions
Une cellule capable de se différencier
* en tous les types cellulaires d'un organisme est dite totipotente (zygote et jeunes
cellules embryonnaires)
* en plusieurs types de cellules est appelée pluripotente (cellules souches)
Cellules totipotentes avant le stade de blastocyste
Auto-renouvellement : multiplication sans différenciation permettant de maintenir
intact un pool de cellules souches primitives.
Différenciation possible, sous l'influence de facteurs de croissance, division en
s'engageant de façon irréversible vers plusieurs ou une lignée. La cellule perd sa
totipotence pour devenir une cellule souche engagée, pluripotente
Des types cellulaires différents produisent des protéines différentes à partir d’un même génome
Génotype Phénotype
Environ 30000 gènes Environ 200 types cellulaires Environ 10000 gènes actifs
Gènes de ménage Gènes spécifiques de tissus ou de type cellulaire
Régulation spatio-temporelle par des facteurs externes
2. Principes de différenciation cellulaire
Principe général
Différenciation causée par : transcription génétique différentielle, maturation ARN
sélective, traduction ARN sélective, modifications protéiques différentielles
1 Expression génique différentielle à partir du même patrimoine génétique
(expression, maturation…)
2 La plupart des gènes sont réprimés : activation = inhibition d'un répresseur ;
répression = inhibition de l'inhibition d'un répresseur
3 La transcription requiert les facteurs généraux de transcription
4 La transcription requiert des facteurs spécifiques de transcription qui se lient de
manière combinatoire inhibant ou activant un promoteur (A et B = transcription ; A
ou B = transcription)
5 Un facteur de transcription peut auto-entretenir sa propre transcription (un
promoteur initial, un promoteur pour la suite)
2. Principes de différenciation cellulaire
Principe général
6 Souvent les mêmes facteurs de transcription utilisés lors de la différenciation
d'une cellule sont utilisés pour activer les gènes spécifiques de cette cellule
7 Des activateurs de transcription sont utilisés comme répresseurs de transcription
dans d’autres cellules
8 Il existe des mécanismes de compensation permettant aux cellules males de
compenser la présence d'un seul chromosome X (soit activation accrue de gènes
chez le male, soit inhibition de gènes chez la femelle)
9 L'inactivation d'un des chromosome X est aléatoire
10 Les phénomènes de maturation des ARNm sont très impliqués dans la
différenciation
2. Principes de différenciation cellulaire
Principe général
Deux voies pour former des cellules filles différentes
L’induction de la différenciation ne provient pas d’un signal extracellulaire; les cellules sont initialement différentes
L’induction de la différenciation provient d’un signal extracellulaire; les cellules sont initialement identiques mais deviennent différentes après influence extérieure
Alberts 21-10
2. Principes de différenciation cellulaire
Principe général
Gènes neurone-spécifiques Gènes épithélium-spécifiques
Cellule précurseur (progéniteur)
Neurone Cellule épithéliale
2. Principes de différenciation cellulaire
Expression différentielle de gènes
Régulation transcriptionnelle, post-transcriptionnelle, traductionnelle, post-traductionnelle
FT
Co-FT
Noyau
Rec
Ligand
Matrice extracellulaire
Maturation
Transcription
Traduction
Protéine spécifique
Taille, Forme, Polarité, Activité métabolique, Sensibilité aux stimuli
Modifications post-traductionnelles
2. Principes de différenciation cellulaire
Expression différentielle de gènes
FT
Gène cible
2. Principes de différenciation cellulaire
Expression différentielle de gènes
Un signal extracellulaire active un facteur de transcription…
…qui active la synthèse d’un autre facteur de transcription…
…qui active …
Inhib
Gène cible
Gène “maître” Gènes spécifiques
Activ
Gène cible
Gène “maître” Gènes spécifiques
Différenciation
Régulation Temps/Espace
Intervention d’une combinaison de facteurs de transcription Possibilité d’auto-activation de son expression Homéogène : gène contrôlant le dvpt embryonaire
2. Principes de différenciation cellulaire
Expression différentielle de gènes
Gène cible 2
Gène spécifique 2
Gène cible 1
Gène spécifique 1
Un même facteur peut • activer l’expression de gènes cibles dans un type cellulaire et • inhiber l’expression d’autres gènes dans le même type cellulaire
FT
Type cellulaire 1 Type cellulaire 2
FT
Inhibiteur Activateur
2. Principes de différenciation cellulaire
Expression différentielle de gènes
Gène cible 2
Gène spécifique 2
Gène cible 2
Gène spécifique 2
Un même facteur peut • activer l’expression de gènes cibles dans un type cellulaire et • inhiber l’expression des mêmes gènes cibles dans un autre type
cellulaire
Type cellulaire 1 Type cellulaire 2
FT FT
Inhibiteur Activateur
2. Principes de différenciation cellulaire
Expression différentielle de gènes
Gène 1
Type cellulaire 1
FT Gène 2 Gène 3
FT FT
Gène 1 Gène 2 Gène 3 FT
Gène 1 FT
Gène 2 Gène 3
FT FT
Gène 1 Gène 2 Gène 3 FT
Un même facteur peut activer l’expression de gènes cibles différents en fonction de la présence de co-facteurs
Type cellulaire 2 ou stade de développement suivant
2. Principes de différenciation cellulaire
Expression différentielle de gènes
Alberts 22-14
Deux façons d’induire une réponse avec un gradient de morphogène
Un nombre important de décisions de différenciation sont régulées par la présence d’un inhibiteur en plus de la présence de la molécule de signalisation primaire
2. Principes de différenciation cellulaire
Expression différentielle de gènes
Source
Gradient de morphogène
Morphogène uniforme
Gradient d’inhibiteur
Gradient d’activité morphogène
Source
Alberts 22-16
Une série d’interactions inductrices peuvent engendrer de nombreux types de cellules en partant de quelques unes
2. Principes de différenciation cellulaire
Expression différentielle de gènes
C apparaît par action de
B sur A
D & E apparaissent
par action de C respectivement
sur A & B
Les gènes homéotiques HOX: mise en place de l’axe antéro-postérieur (souris) Position sur les chromosomes, expression spatio-temporelle
2. Principes de différenciation cellulaire
Expression différentielle de gènes
Alberts 21-45
Mutations dans le gène HOXD13 : Synpolydatylie
Hétérozygote Homozygote
2. Principes de différenciation cellulaire
Expression différentielle de gènes
La matrice extracellulaire et les facteurs solubles peuvent agir par des modes autocrine ou paracrine
Adhésion cellule/cellule
Adhésion cellule/MEC (insoluble) Liaison ligand/Récepteur
Facteur liposoluble
Microenvironnement cellulaire
2. Principes de différenciation cellulaire
Contrôle par des facteurs extracellulaires
Inhibition latérale pour acquérir un caractère différent : paracrinie ou interaction de contact
Toutes les cellules sont équivalentes et s’envoient des signaux inhibiteurs
Quelques cellules prennent le dessus et envoient plus de signaux inhibiteurs
Seules les cellules qui ont pris le dessus envoient les signaux inhibiteurs
2. Principes de différenciation cellulaire
Contrôle par des facteurs extracellulaires
Alberts 21-11
Interaction de contact à partir d’une même population : récepteur notch
2. Principes de différenciation cellulaire
Contrôle par des facteurs extracellulaires
Alberts 15-70
notch delta
Notch actif
Notch inactif
Dès qu’une cellule prend l’avantage, un rétrocontrôle ne s’exerce plus
Spécialisation Spécialisation
Spécialisation Spécialisation
Interaction de contact à partir d’une même population : récepteur notch
2. Principes de différenciation cellulaire
Contrôle par des facteurs extracellulaires
Alberts 15-70
Cellules avec récepteur inhibiteur notch
Cellules avec ligand delta du récepteur notch
Cellules nerveuse en développement
Cellules épithéliale
Interaction de contact à partir d’une même population : récepteur notch
2. Principes de différenciation cellulaire
Contrôle par des facteurs extracellulaires
Cellules avec récepteur inhibiteur notch
Cellules avec ligand delta du récepteur notch
Fixation sur un ER notch
Interaction inductrice
Signal limité dans le temps et l’espace
2. Principes de différenciation cellulaire
Contrôle par des facteurs extracellulaires
Alberts 21-12
Signal inducteur
Cellules sur une nouvelle voie de différentiation
Transition mésenchyme/épithélium
L’épithélium envahit le mésenchyme pour former un organe
Formation de structures tubulaires ramifiées
FGF10 libéré par 1 groupe de C
mésenchymateuses
Prod° FGF10 inhibée par Shh
FGF10 libéré par 2 groupes de C.
mésenchymateuses
Prod° FGF10 inhibée par Shh
FGF10-R sur C épithéliales
Shh produit par C épithéliales
Shh = Sonic hedgehog : morphogène, f. diffusant ayant un rôle dans l’organisation du tissu embryonnaire
22-92a Molecular Biology of the cell
Processus répété
Mise en place des organes Formation de structures dans les axes spatiaux en fonction de l’expression de
morphogènes
Alberts 25-56
Temps
1
2
3
Plaque neurale
Somite
Dermomyotome
Myoblastes
Dermotome
Myotubes Tube neural
Détermination en myoblastes
Prolifération et migration
Masses pré-musculaires
Différentiation en myotubes
Cellules souches
Cellules déterminées
Cellules différenciées
Différenciation musculaire Détermination, prolifération, différenciation
Signaux MRF MEF
Signaux
Différentiation musculaire
Induction Maintenance
Détermination Différentiation
Différenciation musculaire Détermination, prolifération, différenciation
MRF (Muscle Regulatory Factors)
MEF (Muscle Enhancer Factors non spécifiques du muscle)
H2N COOH
H2N COOH
MRF
Liaison ADN et dimérisation
Liaison ADN et dimérisation
MRF
MEF
MEF
Différenciation musculaire Détermination, prolifération, différenciation
MRF Myogénine, MyoD (myogenic determination gene D), myf5, Mrf4
MEF amplifient les MRF
Protéine MyoD-Id hétérodimères : action inhibitrice
Les MRF protéines « hélice boucle hélice » se combinent en homo- ou hétéro-dimères
Les MRF se lient à une séquence consensus d’ADN de 6pb (C-A-N-N-T-G), « boite E »
La boite E est statistiquement fréquente, il faut donc limiter la fixation des dimères aux gènes
de détermination/différentiation musculaire
E2A & MyoD
• E2A, autre protéine hélice-boucle-hélice
• Affinité pour boite E de l’hétérodimère E2A-MyoD 10 fois > par rapport homodimères MyoD
–MyoD dimère avec E2A, homodimères E2A-E2A inefficace (E2A ubiquitaire ; MyoD
distribution restreinte)
• Les boites E sont multiples dans les promoteurs des gènes spécifiques des muscles, il faut
donc de multiples fixations de F. de transcription
•MyoD (et les autres MRF) se lient aux MEF, la réponse est amplifiée sur les gènes qui ont des
boites E et des boites MEF
Différenciation musculaire Détermination, prolifération, différenciation
Différenciation musculaire Détermination, prolifération, différenciation
Transcription E box -dépendante
Transcription MEF box -dépendante
Transcription E & MEF box -dépendante
La séquence et la spécificité d’apparition des MRF au cours de la différenciation
est imparfaitement connue (ils se remplacent partiellement) ; la myogénine est
sans doute assez précoce.
Différenciation musculaire Détermination, prolifération, différenciation
Signaux MRF MEF
Signaux
Différentiation musculaire
Id
La terminaison des étapes de différenciation fait appel à une protéine que se dimérise avec E2A et MyoD, la protéine Id dont la transcription est sous la dépendance des facteurs MRF/MEF
-
-
La myostatine, protéine sécrétée par les muscles: rôle autocrine et paracrine de
régulation négative de prolifération (famille des TGF ) : contrôle de
différenciation et prolifération.
Des mutations du gène de la myostatine entrainent des hypertrophies
musculaires (blue belgian, piemontaise, whippet, homme)
Différenciation musculaire Détermination, prolifération, différenciation
Signaux MRF MEF
Signal négatif myostatine
Différentiation musculaire
- -
Gène myostatine normal
Gène muté homozygote
Hétérozygote, intermédiaire : plus rapide
Mutation homozygote du gène de la myostatine : 30% de muscle en plus
Différenciation musculaire Détermination, prolifération, différenciation
Différenciation musculaire Détermination, prolifération, différenciation
Normalement, pratiquement pas de nouvelles fibres musculaire chez l’adulte mais
réserve de quasi myoblastes (cellules souches) au contact des cellules musculaires
différenciées.
Ces cellules qui prolifèrent et fusionnent avec les myotubes pour régénérer du muscle
Régénération proche de l’embryologie
Marquage de la cadhérine
Cellule souche
Cellule souche Cellule
différenciées
Signaux locaux
Cellules de remplacement
Conclusion
Différenciation quasi synchrone de l’apparition des organismes pluricellulaires
Persistance de cellules peu ou pas différenciées (C. souches)
Régénérescence partielle des tissus ; tissu-dépendant (hématopoïèse par exemple)
Objectif thérapeutique :
récupérer des cellules pour médecine régénératrice ou
faire se dédifférencier des cellules différenciées (conservation du génome)
Base du clonage des espèces intéressantes pour agriculture, en danger…