LSBI602N Biologie Cellulaire II: Destins Cellulaires

• LSBI602N – Biologie Cellulaire II traite des destins cellulaires.
• Le responsable du cours est A. Rincheval ([email protected]).

Devenir Cellulaires

• Une population cellulaire subit différenciation à partir de précurseurs, prolifération, différenciation et mort cellulaire.
• Chez l'humain adulte, 50 à 70 x 10⁹ cellules meurent chaque jour.
• Le cours couvre l'apoptose, l'autophagie, l'oncogenèse, le guidage axonal, la différenciation neuronale et les divisions asymétriques.
• Le programme des cours est disponible sur e-campus.

Un Peu d'Histoire de la Mort Cellulaire Programmée (MCP)

• 1838-1839 : Naissance de la théorie cellulaire par Schleiden et Schwann.
• 1842 : Premières observations d'une mort cellulaire physiologique lors de la métamorphose du têtard en crapaud par Carl Vogt.
• 1859 : Omni cellula e cellula (Wirchow).
• 1885 : Description de caractéristiques morphologiques par l'anatomiste allemand Walter Flemming.
• 1965 : Naissance du concept de "Mort Cellulaire Programmée" (MCP) pour décrire la mort associée au développement par Lockshin.
• 1972 : Définition sur des bases morphologiques et biochimiques d'un type particulier de MCP : l'apoptose, par Currie, Kerr et Wyllie.
• 1986 : Mise en évidence chez C. elegans de l'existence d'un programme génétique de MCP.
• Prix Nobel attribué à Horvitz et Ellis en 2002.
• 1992 : La MCP est un processus hautement conservé dans le monde animal (Vaux).
• 1994 : Les mitochondries jouent un rôle dans la signalisation de la MCP.

Apoptose

• L'apoptose est un processus développemental essentiel, illustré par l'élimination de la palmure des doigts.
• Elle génère des feuillets dans des structures.
• La mort cellulaire est importante pour la morphogenèse et le développement embryonnaire.
• Exemples incluent l'élimination des lymphocytes qui reconnaissent les antigènes du soi et des neurones qui n'atteignent pas leurs cellules cibles.
• La mort cellulaire physiologique chez l'adulte est un mécanisme de mort cellulaire lors de dommages.
• Elle permet l'ajustement du nombre de cellules.
• Le corps humain contient 10¹³ à 10¹⁴ cellules de plus de 200 types.
• Environ 200 milliards de cellules meurent et se renouvellent chaque jour (1/300).
• Les rythmes des divisions cellulaires (mitoses) varient selon les organes et les types cellulaires.
  • Les intestins se renouvellent en 2 à 3 jours.
• La rétine et la cornée en 10 jours.
  • La peau en 4 semaines.
  • Les globules rouges en 4 mois.
  • Le foie en 12-18 mois.
  • Les cellules osseuses en 30 ans.
• Les cellules du cœur et les neurones ont un renouvellement quasi inexistant.
• L'augmentation pour la lactation est un exemple de développement de la glande mammaire où les cellules épithéliales disparaissent après la lactation grâce à l'apoptose.

Pathologies

• Un mauvais équilibre peut engendrer des pathologies.
• Exemples de pathologies liées à une dérégulation de la MCP:
  • Déficit en mort cellulaire peut conduire à des maladies auto-immunes et des cancers.
  • Excès de mort cellulaire peut être lié à des maladies neurodégénératives (Alzheimer, Parkinson) et à la pathogenèse du SIDA.

Types de Mort Cellulaire

• Il existe différents types de mort cellulaire, chacun ayant des changements morphologiques spécifiques.
• Apoptose : condensation du noyau et du cytoplasme, sans lyse cellulaire et est programmé.
• Autophagie : présence de nombreuses vacuoles d'autophagie.
• Nécrose/Oncose : augmentation du volume des organites, lyse cellulaire suite à la rupture des membranes. N'est pas programmé et survient souvent en réaction à un fait exogène.
• L'autophagie peut être un processus de mort cellulaire ou une réponse au stress.

Apoptose vs Nécrose

• La pycnose est due à la désagrégation de l'euchromatine, rendant le noyau non fonctionnel.
• La chromatine condensée s'agrège le long de l'enveloppe nucléaire.
• La pycnose est suivie de la fragmentation du noyau, mais sans déchet extracellulaire.
• Lors de l'apoptose, le noyau devient très dense.
• La nécrose implique une rupture des membranes, libérant des débris cellulaires.
• La membrane reste intacte lors de l'apoptose.

Observations Microscopiques

• Témoin: cellule normale.
• Avec autophagie: présence de vacuoles.
• Apoptose: condensation du matériel cellulaire.
• Nécrose: cellule désintégrée.

Caractéristiques Moléculaires de l'Apoptose

• Perte de l'asymétrie de la membrane plasmique.
• L'annexine V fixe la phosphoglycérine, permettant de visualiser les cations membranaires.
• La phosphoglycérine se trouve uniquement sur le feuillet interne.
• L'apoptose fait disparaître cette asymétrie.
• En cas de nécrose, l'annexine ne peut pas passer dans le feuillet interne.
• Cette perte d'asymétrie est un "eat me" signal.

La MCP chez Caenorhabditis elegans

• Découverte des gènes spécifiant les principaux exécuteurs du programme de mort cellulaire (1986).
• Prix Nobel de physiologie ou médecine en 2002 attribué à Sydney Brenner, H. Robert Horvitz et John E. Sulston.
• C. elegans est un nématode qui se développe rapidement (3-5 jours).
• Il possède des vers mâles et hermaphrodites et est transparent, permettant d'observer le développement cellulaire.
• Sur 1090 cellules somatiques produites pendant le développement de C. elegans hermaphrodite, 131 meurent. L'adulte n'en contient plus que 959.
• Lors de l'apoptose chez C. elegans, une cellule devient réfractaire puis disparaît en 1 heure.

Contrôle Génétique de la Mort Cellulaire

• La mort cellulaire programmée chez C. elegans implique un contrôle génétique précis.
• Les fonctions wild-type des gènes ced-3 et ced-4 sont requises pour l'initiation de la mort cellulaire programmée.
• En l'absence de ced-3 ou ced-4, les cellules qui devraient mourir survivent et peuvent se différencier.
• Les produits des gènes wild-type ced-1 et ced-2 sont requis pour l'englobement ou une étape antérieure.
• Le produit du gène wild-type nuc-1 est requis pour dégrader l'ADN des cellules mourantes.
• L'englobement précède la dégradation de l'ADN des cellules mourantes.
• Cette voie est exprimée par toutes les cellules qui subissent une mort cellulaire programmée pendant le développement de C. elegans.
• Des Drases sont activés ce qui entraîne des coupes complètes.
• Des Drases sont activés par des acteurs majeurs de l'apoptose
• Ceci forme des bandes multiples de 180 à 200 pb.

Gènes et Apoptose chez C. elegans

• Différents types de gènes sont impliqués dans l'apoptose chez C. elegans: ced-3, egl-1, ced-4 et ced-9 entre autres.
• (cell death=CED)
• CED1 est requis pour la disparation des cellules.

Voies Intracellulaires et Intercellulaires de l'Apoptose

• Ced-3 est une cystéinyl aspartate protéase (caspase).
• CED3 est impliqué dans l'exécution de la mort cellulaire (CED3 doit être présent pour activer CED1).
• Les mutants perte de fonction de ced9 présentent trop de cellules mortes.
• Les mutations qui suractivent ced 9 diminuent le nombre de cellules mortes.
• ced 9 s'oppose à la mort cellulaire.
• CEDjest un acteur majeur de l'apoptose
• Chez C. elegans, la voie apoptotique est régulée par un ensemble de gènes incluant :
  • egl-1
  • ced-9
  • ced-4
  • ced-3
  • ced-1

Caspases

• Sont les principaux effecteurs de l'apoptose.
• La caspase-3 clivent ses cibles au niveau de séquences consensus DE(V/I)D.
• Le cytochrome c se déplace dans le cytosol lors de l'apoptose.
  • To: réseau mitochondriale bien formé.
  • TS: marquage plus proche du noyau.
  • T10: marquage augmente, Cytochrome augmente dans le cytosol. Change de taille, rassemblement à proximité du noyau.
• Nématodes: egl-1, ced-9, ced-4, ced-3.
• L'apoptose est un processus développemental.
• Une séquence vidéo montre le comportement des cellules Hep-2 traitées avec de l'Etoposide pendant 24 heures.
• Les caspases sont activées par des signaux déclencheurs.

Activation de Ced-3 par Ced-4

• Ced3 est présent dans les cellules mais pas actif, il est inhibé par Ced9 et associés à CED4.
• Egl-1 va séquestrer Ced9 qui va libérer Ced4, Ced4 qui va cliver Ced3 qui va permettre de faire l'apoptose
• (Ced4 qui va active ProCED3→CED 3).
• Ced-3 est une caspase impliquée dans l'exécution de l'apoptose (1993).

Les Caspases

• Elles sont activées par : des exécuteurs, des activateurs d'exécuteurs où des activateurs.
• Elles sont classées en caspases initiatrices/apicales (long pro-domaine) et effectrices/exécutrices (court pro-domaine).
  • Drosophile: DRONC.
  • Mammifères: Caspase-9, Caspase-8. CED-3
• L'activation des protéines participant à la mort cellulaire est un clivage.
• L'inactivation des protéines servant à la survie des cellules est aussi un clivage.
• Mitochondries : la voie mitochondriale et les protéines de la famille Bcl-2 contrôlent l'apoptose.
  • Bcl-2 bloque le largage du cytochrome c et ne produit pas d'apoptose.
  • Les voies intrinseques et extrinseques activent des caspases.
• Mitochondires = bcp de changements qui remanient aussi les nucléiaires.

Voie Mitochondriale à L'Apoptose

• Sous l'effet d'un stimulus apoptotique, la mitochondrie libère du cytochrome c.
• Cytochrome c se lie à Apaf-1 (facteur activant la protéase apoptotique) et forme apoptosome.
• L'apoptosome recrute la procaspase-9 et active la caspase-9 puis d'autres caspases.
• Ceci va entrainer une cascade de caspases qui vont dégrader les protéines cellulaires et déclencher la mort cellulaire.

Protéines dans la Mort Cellulaire

• Elles déclenchent la mort cellulaire dépendante des caspases (conservées dans le monde animal).
• Nématodes:
  • Egl-1.
  • Ced-9.
  • Ced-4.
  • Ced-3.
• Mammifères:
  • Apaf-1.
  • caspases.
• Bcl-2 bloque ou ralentit l'apoptose dans la plupart des modèles étudiés.
  • Bcl-2 est un gène et gère l'apoptose.
• Les protéines apparentées à Bcl-2 :
  • Sont des pro et des antiapoptiques.
  • Sont associées à la mitochondrie.
• Famille Bcl-2 et mitochondrie: - Antiapoptique (multidomaine). - Bcl-2, Bcl-XL, Mcl-1. - Proapoptotique BH3-only. - Bid, Bim, Puma.
  • Proapoptotique (multidomaine). -BH123--> libéré grace au polyremisation.
• Il y a une structure des protéines BCL-2: - Les anti-apoptotiques contiennent 4 domains BH ( Homologie domaine Bcl2) - 3 motifs de protéines pro-apoptotiques (DH123) - un seul motif de protéine comme BH3

Contrôle de L'Activation

• Bax s'associe à la mitochondrie avec des membres de Bax dans sa membrane.
• Induit la libération de cytochrom C (morte cellulaire apoprorique).
• A quel niveau joue le BCL-2? bloque la liberation cytochre C.
• La voie extrinsèque est initiée par la liaison d'un ligand à un récepteur de mort. La liaison entraine l'activation du DISC.
• Le DISC : une plate-forme d'activation des caspases indépendante de l'homologue de Ced-4 (Apaf-1).

DISC

• Liaison du ligand au récepteur à domaine de mort (Death domain).
• Recrutement de FADD (Fas-Associated protein with Death Domain) aussi appelée Mort1.
• Recrutement et activation de la Procaspase-8/10 (initiatrice) en caspase-8/10.
• Activation da caspases effectrices (ex : caspase-3).

Drosphila Melanogaster

• MCP chez.
• On eu 7 caspases identifiées.
• Lactivation des caspases requise par l'enduir de la mort cellulaire.

Point Clé

• Les mitochondries chez les mamifères libérent des facteurs proapoptiques.
  • Comme Smac.
  • Grim du drosophile
• Chez les mamifères 2 protéines sont libérées :
  • Simac: Omi assurent le même rôle dans Rpr.
    • Grim du drosophile.

Vrai ou Faux

• Le gène bcl-2 est surexprimé dans les maladies neurodégénératives (faux, il y a plus de mort cellulaire).
• Certaines protéines de la famille Bcl-2 sont des inhibiteurs d'apoptose (vrai).
• Au cours de l'apoptose les mitochondries libèrent des inhibiteurs de caspase (faux, il libère plutôt des activateurs pour un inhibiteur de caspase).