2. Principes de différenciation 3. Exemple(s)mboursereau.free.fr/wordpress/p1cam/UE2/Biocell/... · 2012-08-23 · Processus pendant lequel une cellule peu ou pas différenciée

1. Définitions 2. Principes de différenciation 3. Exemple(s)

Différenciation cellulaire

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)


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


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


Principe général

Gènes neurone-spécifiques Gènes épithélium-spécifiques

Cellule précurseur (progéniteur)

Neurone Cellule épithéliale


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



FT

Gène cible



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



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



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



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



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



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



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



Alberts 21-45

Mutations dans le gène HOXD13 : Synpolydatylie

Hétérozygote Homozygote



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


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



Alberts 21-11

Interaction de contact à partir d’une même population : récepteur notch



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




Alberts 15-70

Cellules avec récepteur inhibiteur notch

Cellules avec ligand delta du récepteur notch

Cellules nerveuse en développement

Cellules épithéliale




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



Alberts 21-12

Signal inducteur

Cellules sur une nouvelle voie de différentiation



Transition mésenchyme/épithélium Formation de structures tubulaires ramifiées

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

Différenciation musculaire

Blue Belgian, mutation de la myostatine

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


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


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



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.


Signaux MRF MEF

Signaux


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)


Signaux MRF MEF

Signal négatif myostatine


- -

Gène myostatine normal

Gène muté homozygote

Hétérozygote, intermédiaire : plus rapide

Mutation homozygote du gène de la myostatine : 30% de muscle en plus



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…

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