Biologie Chapitre 20 PDF

Chapitre 20 Embryologie, vers un organisme pluricellulaire 1. Les cellules souches Ce sont des cellules essentielles à l’apparition de nouveaux tissus et de nouveaux organismes. La différenciation Le corps humain est composé de milliards de cellules, toutes génétiquement identiqu...

Chapitre 20 Embryologie, vers un organisme pluricellulaire 1. Les cellules souches Ce sont des cellules essentielles à l’apparition de nouveaux tissus et de nouveaux organismes. La différenciation Le corps humain est composé de milliards de cellules, toutes génétiquement identiques et identiques au zygote (résultat de la fusion du spermatozoïde et de l’ovule). Et pourtant, toutes les cellules ne sont pas identiques (ex : cellules du cerveau, cellules des muscles, globules rouges, …), elles diffèrent par leurs formes, leurs fonctions, leurs caractéristiques biologiques, par les protéines qu’elles synthétisent ou encore par les réactions chimiques qu’elles effectuent à elles sont différentiées. Cellules particulières : les cellules souches : alloue et - ne sont pas différenciées I e mer - sont capables d’autorenouvèlement - se divisent par mitose soit pour produire 2 cellules souches à mitose symétrique ou pour produire une seule cellule souche et une cellule progénitrice qui va subir une différentiation à mitose asymétrique. C’est la mitose asymétrique qui permet de maintenir plus ou moins constant le nombre de cellules souches lors de la production de progéniteurs qui sont donc déjà légèrement différentiés. Le potentiel des cellules souches 1 Toutes les cellules souches n’ont pas le même potentiel : Les cellules issues des premières divisions du zygote sont des cellules souches, elles ont la capacité de donner naissance à des progéniteurs capables de se différencier en toutes les cellules de l’organisme (y compris les annexes embryonnaires lorsque l’espèce en dispose). Elles ont aussi la capacité de réorganiser un être vivant complet et viable à si une telle cellule souche était prélevée d’un embryon, elle permettrait d’aboutir à un individu complet et viable à c’est d’ailleurs ce qu’il se passe lors de la formation de jumeaux homozygotes à ces cellules souches sont dites totipotentes, ce sont elles qui ont la plus grande capacité de différenciation. Quelques jours après la fécondation, l’embryon atteint le stade blastocyste. A ce stade, les cellules souches ont perdu leur totipotence, leur capacité de différentiation est réduite à ce sont les cellules souches embryonnaires ou pluripotentes, elles sont capables de produire des progéniteurs qui peuvent se différentier en toutes les cellules de l’organisme (digestives, osseuses, sanguines, nerveuses, …) à l’exception des annexes embryonnaires à pas capables de régénérer un être vivant intact et pleinement organisé. = condon + placenta Pendant l’avancée du développement embryonnaire, dans certaines zones de l’embryon, les cellules souches voient leur capacité de différentiation encore réduite, elles deviennent multipotentes, il s’agit des cellules souches adultes. => perte de polatiel différenciation de Ces cellules souches ne peuvent donner naissance qu’aux cellules appartenant à un seul des feuillets embryonnaires : cellules digestives et pulmonaires (l’endoderme), cellules nerveuses et de la peau (l’ectoderme) et les autres types cellulaires (le mésoderme). A la naissance, notre organisme contient encore des niches de cellules souches adultes et donc multipotentes (et on en a encore en nous). Elles sont à l’origine du renouvellement de beaucoup de nos cellules. Au cours du développement, certaines cellules souches perdent encore une fraction de leur capacité de différentiation à elles deviennent des cellules souches unipotentes qui ne peuvent donner qu’un seul type cellulaire. / cellules de la peau l è Cette perte du potentiel de différentiation des cellules souches se nomme la détermination (! à ne pas confondre avec la différentiation). 2  ⑯ On peut avoir : des cellules non déterminées et non différenciées = cellules souches totipotentes cellules déterminées non différenciées = cellules souche unipotentes cellules non déterminées mais différenciées = cellules souches totipotentes qui se sont différencié Différentiation VS détermination cellules différenciées et déterminées = cellules unipotentes différenciées si cellule souche I particulière vent , duvenir elle est determiné à pas deverin autre Chose Mais par encor differencie elle le sera ge elle sera sur ligne range La différentiation d’une cellule est sa spécialisation, l’acquisition d’une fonction spécifique (comme le transport de l’oxygène pour les globules rouges ou la contraction pour les cellules musculaires) grâce à l’apparition de caractéristiques cellulaires qui peuvent être : - La forme - La synthèse de certaines protéines - L’utilisation de certaines voies métaboliques - … Cette différentiation prend place dans une cellule en raison de l’expression d’un nombre limité de gènes spécifiques de la fonction à accomplir par la cellule. Ex : globule rouge à sa cellule progénitrice se différencie car le gène codant l’hémoglobine y est transcrit / la cellule progénitrice de la cellule musculaire se différencie car les gènes codant les protéines contractiles y sont transcrits. A l’inverse, une cellule de l’œil ne produit pas d’hémoglobine ou de protéines contractiles. à La différenciation est une modulation de l’expression des gènes de notre patrimoine génétique à cette modulation est typique de chaque type cellulaire et entraine l’activation de certains gènes et l’inactivation d’autres. La modulation typique de l’expression est contrôlée par au moins 2 éléments : - L’épigénétique - Les facteurs de transcriptions spécifiques à un type cellulaire donné La détermination d’une cellule souche n’est pas l’acquisition d’une spécialisation mais est la perte de ses capacités de différentiation, de spécialisation. Ainsi, une cellule souche totipotente pourra donner naissance à toutes les cellules de l’organisme, sa détermination va lui interdire un certain nombre de possibilités de différentiation pour la conduire progressivement de la totipotence vers l’unipotence. Durant ce processus, la cellule reste bien une cellule souche à même si sa voie de différentiation apparait de plus en plus clairement elle ne va pas encore l’emprunter, elle reste non différentiée. Le mécanisme moléculaire à l’origine de la détermination est épigénétique, il s’agit d’une méthylation, c’est donc une inactivation des gènes qui contrôle la différentiation. Dans les conditions cellulaires, cette méthylation est considérée comme irréversible, à l’exception du moment qui correspond aux premières étapes du développement. 3 2. L’embryologie descriptive Le développement des pluricellulaires repose sur un programme de modification systématique dirigé par des gènes particuliers et au cours duquel un organisme passe par des stades successifs. Le développement est décrit comme une succession d’étapes bien définies et délimitées mais il s’agit simplement d’un subterfuge pédagogique. Le développement est un continuum, un ensemble d’éléments tels que l’on peut passer de l’un à l’autre de façon continue. L’ensemble du processus fait intervenir des divisions cellulaires, la différenciation, la détermination, la formation de plans et la morphogenèse. Mais tout commence avec une formation de gamètes et une fécondation. La gamétogenèse Chez les mammifères, les gamètes mâles et femelles se forment par des processus comparables basés sur la méiose et qui portent le nom collectivement de gamétogenèse. à Spermatogenèse : paroi du tube La spermatogenèse = gamétogenèse chez le mâle. Elle débute à la puberté et se déroule dans les testicules au niveau de tubes appelés tubules séminifères. Dans la paroi du tube, du côté périphérique (le plus éloigné de la lumière), se trouvent les cellules germinales appelées spermatogonies. Il s’agit, comme toutes nos cellules, de cellules diploïdes. Les spermatogonies sont des cellules souches unipotentes : elles se divisent par mitose de façon à entretenir le pool de cellules souches. Lors de mitoses asymétriques, elles donnent naissance à une cellule progénitrice : le spermatocyte I. (2r) Tout en se rapprochant de la lumière du tubule, ce dernier va entamer une méiose : - À l’issue de la division réductionnelle, le spermatocyte devenu haploïde s’appellera le spermatocyte II. (m) - À l’issue de la division équationnelle, il deviendra le spermatide. (m) à Un spermatocyte I donne donc naissance à 4 spermatides : il ne s’agit pas encore d’un gamète. Le spermatide doit encore subir une étape de maturation lui permettant d’acquérir le flagelle et sa structure finale de spermatozoïde. Ces derniers seront libérés dans la lumière du tube séminifère. La formation d’un spermatozoïde chez l’humain dure environ 64 jours. 4 à Ovogenèse : Ovogenèse = gamétogenèse chez la femelle. Elle diffère de la spermatogenèse simplement par sa durée (bien plus long que 64 jours). Durant le développement fœtal, les cellules souches germinales primordiales colonisent les gonades en formation et elles y évoluent en ovogonies. Comme les spermatogonies, il s’agit de cellules souches unipotentes. Les ovogonies vont se multiplier par mitoses successives à ovocytes primaires Vers la 12e semaine de vie fœtale, des ovocytes primaires issus des mitoses des ovogonies vont entrer en méiose mais resteront bloqués au stade diplotène : on parle de diapause. Cette diapause subsistera jusqu’à l’ovulation à partir de la puberté. À la naissance, les ovaires contiendront environ 1 million d’ovocytes primaires chacun contenu dans un follicule. À la puberté, à chaque cycle, un de ces follicules est stimulé par l’action d’hormones et atteint sa pleine maturité. Dans ce follicule mature, l’ovocyte primaire termine sa division réductionnelle, il termine la méiose qu’il avait entrepris des années auparavant. Cependant, cette méiose I est particulière puisque les deux cellules filles n’ont pas la même taille à elle produit une = division grande cellule fille : l’ovocyte II et une cellule fille plus petite : le globule polaire. asymétrique C’est donc l’ovocyte II qui acquiert la quasi-totalité du cytoplasme de l’ovocyte primaire. à Le but de cette cytodiérèse inégale est d’augmenter les chances de cet ovocyte de soutenir la croissance embryonnaire s’il venait à être fécondé. L’ovocyte II débute la division équationnelle mais sa progression est encore une fois interrompue, elle est stoppée en métaphase II et c’est sous cette forme que l’ovule est libéré de l’ovaire dans la cavité générale au moment de l’ovulation à l’ovule émis est donc un ovocyte secondaire. La méiose II ne se terminera que dans l’éventualité d’une fécondation. Là encore, il s’agira d’une cytodiérèse inégale produisant encore un globule polaire. 6 La fécondation La fécondation = 1ère étape dans le développement = union des gamètes mâle et femelle. Chez les animaux terrestres (comme les humains), la fécondation est interne afin de protéger l’embryon de la dessiccation (élimination de l’eau d’un corps). à La protection de l’ovule : Zone pellucide = zone constitue d’eau, protéines et de polysaccarides. C’est aussi là que ce trouve le globule polaire. Cette zone empêche la polyspermie = que plusieurs spermatozoides pénètrent l’ovocyte La fécondation est initiée par la fusion de la membrane plasmique du spermatozoïde avec celle de l’ovule. Cette étape n’est pas simple car l’ovocyte II est entouré d’une couche protectrice. Cette zone protectrice est appelée zone pellucide chez les mammifères (autre nom dans les autres règnes animaux). Cette zone pellucide est doublée par une couche de cellules granuleuses originaires du follicule qui a émis l’ovule. Le premier défi du spermatozoïde est d’arriver au niveau de l’ovule. Le second défi sera de pénétrer les lignes de défenses de l’ovule. à L’équipement du spermatozoïde : contient Et son patrineine génétique ↑ Pour y parvenir, le spermatozoïde possède un organite en forme de sac : l’acrosome. L’acrosome est situé dans la tête du spermatozoïde entre la membrane plasmique et le noyau (ici représenté en mauve). ~ appareil golgi L’acrosome se forme à partir de vésicules golgiennes lors de la maturation du spermatide en spermatozoïde. Durant cette étape, le spermatozoïde s’est constitué d’une pièce intermédiaire contenant une grande mitochondrie spiralée. À la jonction de la tête et de la pièce intermédiaire se trouve une structure de jonction qui contient le centrosome de la cellule. C’est lui qui organise les microtubules qui forment le flagelle. 8  1) Le spermatozoïde doit d’abord franchir la région granuleuse qui se situe autour de l’ovocyte et il y parvient par des mouvements engendrés par son flagelle. L’acrosome contient des enzymes libérées par exocytose lorsque le spermatozoïde atteint la zone pellucide. Les enzymes dégradent les glycoprotéines qui constituent cette zone pellucide creusant ainsi un passage jusqu’à l’espace perivitellin qui borde la membrane plasmique. 2) Arrivé à la membrane plasmique de l’ovocyte, le spermatozoïde s’accroche à l’ovocyte par un système comparable à celui de l’absorption virale. Il s’agit d’une reconnaissance entre des protéines du spermatozoïde et des récepteurs membranaires de l’ovocyte. Cette reconnaissance entraine la fusion des membranes et, directement après, l’entrée du noyau du spermatozoïde, de la mitochondrie, du centrosome et des microtubules du flagelle à l’intérieur de l’ovocyte. à Le passage des constituants cytosoliques du spermatozoïde vers l’ovocyte = l’étape d’imprégnation. ~ signal que orocyle peut reprendr à La fusion membranaire : sa bie sexuelle La fusion membranaire active l’ovule. Cette activation semble être induite par une augmentation importante et transitoire de la concentration cytosolique en Ca2+. Celle-ci varie à partir du point de fusion et se propage à la façon d'une onde à toute la cellule. Dans ce phénomène, le calcium joue le rôle de second messager, c'est-à-dire qu'il va relayer et amplifier une information primaire à l'ensemble de la cellule. Cette information primaire est ici la fusion des membranes. Cette onde de dépolarisation engendre des modifications à la surface cellulaire. à Éviter la polyspermie : 9 Dans le but d'empêcher la fécondation multiple qui aboutirait à un zygote avec plus de 2 assortiments chromosomiques (et donc polyploïde), une réaction rapide se met en place à la fusion des membranes : L’onde de dépolarisation (que nous venons de décrire) entraîne la libération dans l'espace perivitellin du contenu de petites vésicules cytosoliques qui était localisées à proximité de la membrane plasmique à les enzymes libérées éliminent les récepteurs membranaires d'arrimage du spermatozoïde et durcissent la zone pellucide à zone pellucide rendue imperméable aux spermatozoïdes + augmentation de la protection du futur embryon. Le noyau spermatique se décondense et devient le pronucléus mâle = un noyau gamétique ne contenant qu'un génome haploïde. à La reprise de la méiose : L’ovocyte II et le premier globule polaire immobilisés en métaphase II reprennent le cours de leur méiose et les seconds globules polaires sont formés : le globule polaire de la première division se divise en 2 globules polaires et la division de l’ovocyte II (après fécondation) produit également un globule polaire à A ce stade, 3 globules polaires et un ovocyte mature haploïde, 1C ont été générés. Par la suite, les structures de l'appareil microtubulaire de division sont détruites à les futurs appareils microtubulaires se formeront à partir des centrioles paternels. Le patrimoine génétique femelle s’enferme dans un pronucléus et les 2 pronucléi (mâle et femelle) subissent individuellement une phase S. Le zygote Grâce à l'action du centrosome paternel et des microtubules qu'il génère, les pronucléi se rapprochent. Il n'y a pas de fusion des pronucléi mais les enveloppes de chaque pronucléi se démantèlent pendant que la chromatine se condense en chromosomes. Les chromosomes s'arrangent sur la plaque équatoriale par l'action des microtubules et de protéines motrices. 10 Cette mise en commun des chromosomes sur l'appareil microtubulaire signe l'apparition du zygote = première cellule diploïde à un nouvel organisme. Très rapidement, les microtubules répartissent les chromosomes dans les 2 premières cellules de l'embryon à c'est le stade bicellulaire = stade à 2 cellules, 2 blastomères. De mitose en mitose, le nombre de cellules dans l’embryon va s’accroître. Les cellules qui constituent l’embryon sont appelées des blastomères. Au bout de 96 h, une trentaine de cellules forment l’embryon qui est alors au stade morula. Chacun de ces blastomères est une cellule souche totipotente. Durant les divisions, la taille de l’embryon n’augmente pas, chaque cellule fille sera donc 2 fois plus petite que la cellule dont elle est issue à il s’agit de la segmentation. La déméthylation Comment une cellule différenciée et déterminée (car elle provient d’une cellule souche unipotente) : le gamète, peut-elle devenir une cellule souche totipotente (et donc non déterminée) après la fécondation ? à La réponse à cette question se trouve dans la faculté du zygote à subir une déméthylation profonde de son génome. Cette déméthylation subsistera jusqu’au stade blastocyste. - mediesibilité du génome La formation du blastocyste 11 Tout en étant toujours incluse dans sa zone pellucide, la morula subit la blastulation (transformation de la morula en blastula). Les cellules les plus internes de la morula se resserrent les unes contre les autres à étape de compaction. Le nouvel organisme se développera uniquement à partir de ces cellules qui constituent l’embryoblaste (le bouton embryonnaire). Pendant ce temps, les cellules extérieures s'aplatissent et se lient les unes aux autres par des jonctions cellulaires. Ces cellules forment une paroi cellulaire épithéliale = trophoblaste et qui donnera naissance aux annexes embryonnaires. Par ce procédé, une cavité se forme à l’intérieur de l’embryon et l’embryon devient le blastocyste. La cavité s’appelle le blastocoele et elle se remplit de liquide. Les cellules du bouton embryonnaire s’accumulent à un pôle du blastocyste : le pôle embryonnaire. Les cellules du pôle embryonnaire sont des cellules souches embryonnaires pluripotentes. Les jonctions cellulaires peuvent appartenir à différentes catégories mais elles partagent des points communs qui sont l'union de 2 cellules adjacentes par l'interaction de protéines spécifiques : > - active - Dans le cas des jonctions d'ancrage comme les jonctions adhérentes et les > - interné diaires desmosomes, les protéines impliqués sont des cadhérines. - Les tight jonctions (jonctions étanches) obéissent au même principe mais l’accolement des membranes des cellules adjacentes est extrêmement étroit à interdit le passage (même de petites molécules) de part et d’autre de la jonction. Comme on peut le voir sur le schéma, tous ces systèmes interagissent également avec le cytosquelette (que ce soit les microfilaments d’actine pour les tight jonctions et les jonctions adhérentes ou des filaments intermédiaires pour les desmosomes) L’éclosion Éclosion = le blastocyste se libère de la zone pellucide après 5 jours. Cette éclosion est le résultat de la rupture de la zone pellucide par des mouvements de contraction de l'embryon et par l'action d'enzymes. Elle permet la croissance de l'embryon qui n'est plus limité par la zone pellucide. Pendant le développement de la morula puis du blastocyste, l'embryon migre le long de la trompe de Fallope vers la cavité utérine. Cette migration est due au battement des cils des cellules qui constituent l’épithélium des trompes. 12 L’implantation L'embryon ne peut pas croître et se développer sous la forme libre qu'il avait jusque-là à il doit s'implanter. Pour que cette implantation se fasse avec succès, le blastocyste et la muqueuse de l'utérus doivent interagir. Lors de l’éclosion, le blastocyste peut interagir avec la muqueuse utérine en orientant son pôle embryonnaire face à la paroi de l’utérus. Le trophoblaste va se différencier en 2 masses cellulaires distinctes : - Le cytotrophoblaste = couche interne de cellules avec une activité mitotique intense. Ces cellules seront le précurseur du syncytiotrophoblaste. - Le syncytiotrophoblaste = couche de cellules multinucléées obtenues par fusion des cellules du cytotrophoblaste à le résultat multinucléé d'une fusion = syncytium. Le syncytiotrophoblaste sécrète des enzymes et des substances provoquant l’apoptose des cellules de la muqueuse utérine. Il peut ainsi envahir la muqueuse en direction de ses vaisseaux sanguins. Au paroxysme de son développement, le syncytiotrophoblaste entoure complètement le blastocyste qui est maintenant complètement enfouis dans l’utérus. Au début de l’implantation, le bouton embryonnaire est didermique, c'est-à-dire constituée de 2 feuillets : - Le feuillet externe = l’épiblaste : les cellules de l'épiblaste vont proliférer et migrer vers la périphérie pour constituer la cavité amniotique. Les cellules épiblastiques bordées par le cytotrophoblaste donneront naissance à la membrane amniotique. - Le feuillet interne = l’hypoblaste : les cellules de l’hypoblaste vont, elles aussi, migrer vers le centre du blastocyste pour constituer le sac vitellin. Le disque embryonnaire est constitué par l’apposition des 2 feuillets de l’épiblaste et de l’hypoblaste. Mais seul l’épiblaste sera à l’origine du fœtus tandis que l’hypoblaste sera à l’origine des annexes embryonnaires. Conventionnellement, la structure est orientée de cette manière : à L’épiblaste est orienté vers le haut et correspond à la face dorsale de l’embryon. 13  région céphalique La gastrulation pôle caudal Le passage du disque embryonnaire didermique à un disque tridermique nécessite l’invagination d'un 3ème feuillet entre les 2 premiers à ce phénomène porte le nom de gastrulation à il s'agit de modifications profondes résultant de mouvements cellulaires complexes. L’épiblaste constitue une surface ovale baignée par le liquide amniotique. La région la plus large de cette structure constitue la région céphalique, la région rostrale alors que la région la moins épaisse, la moins large constitue la région caudale. On peut donc établir le premier plan de construction de l'organisme : son axe longitudinal antéropostérieur = axe céphalo caudal à cet axe sépare l'embryon en 2 moitiés gauche et droite qui caractérise sa symétrie bilatérale. Le disque embryonnaire s’épaissit au niveau de la ligne médiane le long de l'axe céphalo caudal à cette structure = la ligne = le sillon primitif : - Elle prend naissance au pôle caudal et s’allonge vers le pôle céphalique jusqu’à la moitié de la longueur de l'embryon. - Elle résulte de la prolifération et de la migration des cellules de l'épiblaste vers la région médiane du disque. Par la suite, la ligne médiane s'allonge vers l'extrémité caudale et sa face dorsale se creuse d'un sillon appelé le sillon primitif. - Ce sillon est le siège d'importantes migrations cellulaires. Les cellules épiblastiques vont glisser dans la dépression de la ligne primitive pour s'enfuir sous l’épiblaste. Deux mouvements sont notables : - un mouvement au travers du sillon et latéral - un mouvement au travers du sillon et vers la région céphalique Mise en place des 3 feuillets La première poussée cellulaire au travers de la ligne primitive se déplace jusqu’à l’hypoblaste à les cellules de l'hypophyse sont alors repoussée par l'arrivée de cette corde de cellules épiblastiques : il s'agit de la mise en place d'un feuillet entoblastique (ou endoderme) qui sera à l'origine de l'intestin et de ses dérivés. 14 Certaines cellules d'origine épiblastique migrent et s'insinuent entre les 2 premiers feuillets : l’épiblaste et l’entoblaste à elles forment le 3e feuillet embryonnaire = mésoblaste ou mésoderme. À partir de ce moment, l’épiblaste change de nom et devient l’ectoblaste ou ectoderme. L’épiblaste a donc donné naissance à 3 feuillets embryonnaire : - ectoderme : à l'origine du système nerveux et de la peau - endoderme : donnera naissance à l'épithélium digestif, aux glandes qui y sont associées et à l'épithélium respiratoire - mésoderme : à l'origine de toutes les autres cellules L’origine des orifices digestifs 2 régions de l'embryon triblastique restent cependant composées de 2 feuillets uniquement : un dans la zone céphalique et un dans la zone caudale. Dans ces 2 zones, l’épiblaste reste intimement accolé à l’entoblaste : il n'y a pas d'invasion des cellules mésoblastiques à ces endroits. Ces accolements correspondent à la membrane pharyngée et à la membrane cloacale qui seront ultérieurement percées pour former respectivement la bouche et l'anus. 3. Les mécanismes de l’embryologie On vient de le constater, même les premières étapes du développement d'un embryon sont complexes et font intervenir une coordination des différents événements qu'il s'agisse de migration ou de division cellulaire. Essayons de comprendre les mécanismes aux commandes de ces événements. Le phénomène d’induction Le sillon primitif contient un groupe de cellules localisées à son extrémité, il s'agit d'une primitive ou nœud de Hensen. Son excision et sa greffe sur un embryon dont l'axe antéropostérieur est déjà organisé provoque la formation d'un 2ème axe antéropostérieur, là où a été greffé le nœud de Hensen. 15 Les cellules qui constituent ce nœud agissent donc comme un centre d'organisation de l'axe antéropostérieur. La destinée des cellules de l'embryon n'est donc pas complètement déterminée de façon intrinsèque. Certaines régions de l'embryon influencent le devenir des régions voisines à il s'agit du phénomène d'induction. Ce phénomène d'induction est le résultat de l'émission par ces cellules organisatrices de protéines solubles qui vont moduler la différenciation des cellules cibles. La signalisation cellulaire Ces protéines solubles agissent comme des molécules informatives et sont spécifiques de récepteurs membranaires portés par les cellules cibles. (Plusieurs types de récepteurs différents existent mais on s’intéresse ici à un mécanisme général qui sous-tend leurs fonctions) Un premier système utilise une cascade de phosphorylations. Dans ce cas, le récepteur membranaire qui s'est lié avec son ligand qui lui est spécifique active une première kinase (généralement par phosphorylation). A partir de ce point, une cascade d'activations se met en marche : chaque kinase activée phosphoryle à son tour et active la kinase suivante jusqu’à l'activation de la dernière protéine : la protéine effectrice. C'est cette protéine effectrice activée qui va provoquer la réaction attendue de la cellule. L'autre système est comparable mais il fait intervenir au démarrage de la cascade une molécule particulière appelée messager secondaire ou second messager. La concentration de ce second messager dans la cellule augmente en réponse à l'activation du récepteur par son ligand. C'est ce second messager qui lance la cascade de phosphorylations. Dans la cellule, les seconds messagers peuvent être des dérivés de l'ATP, des dérivés lipidiques de la membrane plasmique ou encore l'ion calcium qui est mobilisé à partir du réticulum endoplasmique lisse. Dans nos exemples, nous sommes partis de l'idée que ces cascades procédaient toujours à une activation des protéines impliquées. Bien entendu, la réalité est plus complexe. Certaines phosphorylations peuvent aussi inhiber l'activité d'enzymes. Quoi qu'il en soit, le résultat est le même : ces cascades aboutissent à la modification de l'activité de protéines cibles. Ces voies de signalisation sont divisées en 3 étapes : - la réception du message - la transduction du signal - la réponse cellulaire 16 Une amplification du message Ce mécanisme de transmission de l'information donne plusieurs avantages à la cellule. D'une part, la multiplication des étapes de transduction accroît le nombre de points de contrôle possible et permet donc de moduler finement la réponse de la cellule. D'autre part, il s'agit aussi d'amplifier le message initial. Dans certains cas, la liaison d'une molécule informative (un messager) entraîne grâce aux cascades d'activation une amplification d'un facteur un million de la réponse cellulaire. La réponse cellulaire au message de signalisation peut être de plusieurs natures : il peut s'agir d'une division cellulaire, d’un déplacement de la cellule ou de l'activation de certaines voies métaboliques. Certaines réponses peuvent être immédiates si elles ne demandent pas de procéder à la transcription de gènes : c'est notamment le cas des modulations de l'activité métabolique de la cellule. D'autres réponses ne peuvent être immédiates et nécessitent l'expression de certains gènes. Ceux-ci sont contrôlés par des facteurs de transcription spécifiques : les protéines effectrices. 4. Le clonage (de Dolly au clonage thérapeutique) Il est difficile d'aborder un chapitre consacré aux cellules souches et au développement sans mentionner le clonage. Il faut toutefois discerner le clonage reproductif destiné à former un être vivant entier et viable du clonage thérapeutique qui vise à former des tissus ou des cellules d'un individu dans l'optique d'une thérapie. Le clonage par scission d’embryons Un clonage reproductif peut être obtenu de différentes façons. La première est d'ailleurs très naturelle puisqu'il s'agit de la scission d'un embryon à un stade précoce. Cette scission peut apparaître très tôt : au stade morula. Dans ce cas, chaque cellule de la morula étant une cellule souche totipotente à il y a formation subséquente de 2 individus génétiquement identiques et possédant chacun ses propres annexes embryonnaires. à On parle dans ce cas de jumeaux homozygotes diplacentaires et diamniotiques puisqu’il y aura 2 placentas et 2 cavités amniotiques. 17  Si la séparation se fait plus tard : au stade d'un blastocyste non implanté à les jumeaux formés seront homozygotes monoplacentaires et diamniotiques. C'est-à-dire qu'ils disposent chacun de leur propre cavité amniotique. Lorsque la scission s'opère au stade blastocyste mais après l'implantation dans l'utérus à les jumeaux produits seront homozygotes mais avec un placenta et une cavité amniotique qui sera commune. Toutes les scissions ultérieures, dès la formation du disque embryonnaire seront soit non viables soit produiront des jumeaux conjoints = jumeaux siamois (c'est-à-dire partageant certaines parties de leur anatomie). Le clonage reproductif On l'ignore très souvent mais le clonage reproductif n'est pas une chose neuve. 1952 : première trace d’un clonage animal vertébré avec le clonage d'une grenouille 1963 : clonage d'un poisson rouge 1996 : clonage de mammifère à Dolly = premier mammifère cloné 1997 : une souris a été clonée sous le nom de Cumulina, elle a vécu 2 ans. 1998 : Linra, en France, a cloné Marguerite 2000 : clonage des 3 petits cochons 2001 : clonage de Noah = gayal = bovin sauvage en voie d'extinction à c'est peut-être le premier clonage réellement utile. 2001 : un chat = premier animal de compagnie appelé Copycat (CC) On a aussi cloné des mules, des lapins, des daims, des juments, des drosophiles… 2007 : un singe = premier primate 2008 : encore un clonage de souris à il s’agit de 13 souris différentes qui ont été clonées à partir d'une souris morte (qui était morte 16 ans auparavant et qui avait été gardée congelée dans un laboratoire) 2010 : clonage d'un bovin qui a été cloné à partir d'une seule cellule gardée congelée pendant des années. à On voit toutes les perspectives du clonage 18 Récemment : 70% du génome du mammouth a été mis en évidence grâce à des spécimens retrouvés congelés dans le permafrost. Certains chercheurs imaginent de recloner de façon reproductive ce mammouth dans un éléphant comme incubation. à Dolly : Revenons à la célèbre Dolly pour expliquer la procédure d'un clonage reproductif. Le but est donc de reproduire un animal vivant qui est une copie exacte d'un animal déjà existant. Pour y parvenir, 3 choses sont nécessaires : - un œuf - un patrimoine génétique - une mère porteuse Dans l'expérience de Dolly, 3 variétés de moutons ont été utilisées pour bien démontrer qu'il s'agissait du clonage d'un individu particulier. Le premier mouton a donné un œuf = ovocyte II. Le patrimoine génétique de cette cellule a été prélevé et éliminé à il s'agit donc d'un œuf énuclée. ↳ an enlève le noyau Le second mouton (celui qui doit être cloné) a donné des cellules somatiques diploïdes (c'est-à-dire des cellules non germinales). Dans le cas du clonage de Dolly, il s'agissait de cellules de la glande mammaire mais d'autres cellules somatiques auraient très bien convenu (des cellules musculaires, nerveuses, de la peau…) Ce mouton donneur était une femelle mais il aurait très bien pu s'agir d'un mâle. Les cellules prélevées sont les cellules donneuses du noyau à ce sont donc elles qui vont donner le patrimoine génétique. 19 Une de ces cellules a été fusionnée avec l’œuf énucléé. Cette fusion produit donc une cellule hybride qui porte le patrimoine génétique diploïde d'une cellule somatique différenciée et qui contient également les signaux et les composants cytosoliques d'une cellule germinale. Cette cellule s'est divisée à quelques reprises in vitro avant d'être implanté dans l'utérus du 3ème mouton = la mère porteuse. Celle-ci a donné naissance à un agneau = Dolly = le clone du mouton donneur nucléaire. Malheureusement, Dolly est morte après 7 ans en raison d'un vieillissement prématuré qui a été expliqué par des télomères arrivés précocement à la limite minimale de leur taille. S’agit-il de copies parfaites ? Un clone est-il vraiment une copie parfaite de l'individu donneur du noyau ? Une première réponse simple peut être donnée en pensant au génome mitochondrial qui est issu de l'œuf énucléé et non de la cellule donneuse de noyau. En cela, on peut donc répondre non à les 2 individus ne sont pas des copies parfaites. Mais les différences s'arrêtent-elles là ? Pour le savoir, intéressons-nous de plus près à Copycat : le chat cloné en 2001. Pour la petite histoire, Copycat a été cloné par une société commerciale américaine du Texas. Il avait été commandité par un milliardaire pour cloner un chien disparu. Ils se sont entraînés sur un chat : ils l'ont cloné mais n'ont jamais pu cloner le chien. Copycat est le clone de Rainbow, c'est Rainbow qui a donné son noyau pour ce clonage. Rainbow est une écaille de tortue, c'est une femelle. On a pris une de ces cellules somatiques qui a donné son noyau pour former Copycat. On s'aperçoit tout de suite que Copycat n'est pas une copie conforme de Rainbow alors qu'ils partagent le même patrimoine génétique. La différence provient du fait que la mère donneuse du noyau est justement une écaille de tortue, une femelle et donc aléatoirement dans cette femelle Rainbow, un des chromosomes X est inactivé = corpuscule de Barr. La prise, la sélection aléatoire d'une de ces cellules a imposé un corpuscule de Barr à Copycat. Copycat est donc lui aussi une femelle mais, à l'inverse de Rainbow, toutes ces cellules ont inactivé le même chromosome X à il s'agit du même corpuscule de Barr. Et donc Copycat n'exprime pas complètement le patrimoine génétique de Rainbow et n'est pas une copie parfaite de sa maman nucléaire. A l'inverse de ce qui s'est passé pour Dolly, Copycat a vécu longtemps (19 ans) et a eu une grande descendance. 20 Le clonage thérapeutique Le clonage thérapeutique procède sur une base identique au clonage reproductif : il s'agit de prendre un ovocyte énucléé et d’y introduire (tout comme dans le clonage de Dolly) le noyau d'une cellule somatique du patient pour lequel on souhaite produire des cellules ou un tissu de remplacement. A la différence du clonage reproductif, la cellule issue de la division in vitro n’est pas implantée dans un utérus mais maintenue en culture in vitro en présence de signaux extracellulaires qui vont influencer la différenciation des cellules vers le tissu que l'on souhaite produire (comme un tissu nerveux, sanguin ou encore musculaire). Ce tissu ainsi produit pourra être utilisé comme une pièce détachée pour soigner le patient qui a donné son noyau. 21