Biologie Cellulaire - Cours & Notes PDF

La Biologie de la Cellule Etude de la structure, de la fonction et du comportement de la cellule La cellule: unité fondamentale du vivant Les principaux thèmes: - Cellules procaryotes, eucaryotes, archées - Cellules animales , végétales - Comportement: prolifération, survie, mort, migration,...

La Biologie de la Cellule Etude de la structure, de la fonction et du comportement de la cellule La cellule: unité fondamentale du vivant Les principaux thèmes: - Cellules procaryotes, eucaryotes, archées - Cellules animales , végétales - Comportement: prolifération, survie, mort, migration, spécialisation, différenciation - Interactions cellule-pathogène  La Biologie Cellulaire Les approches et les thématiques: - Microscopie - Culture cellulaire - Etude du métabolisme - Approches génétiques - Structure et fonction des compartiments subcellulaires (trafic intracellulaire) - Communications cellulaires - Cycle cellulaire / mort cellulaire - Approches intégrées de Biologie des systèmes - Approches globales : « omics » bio-informatique https://www.nature.com/scitable/topic/cell-biology-13906536/  LU2SV416 2024-2025 BIOLOGIE CELLULAIRE Flora Llense Joëlle Sobczak-Thépot Introduction : principes fondamentaux en biologie cellulaire Prolifération cellulaire : - Entrée dans le cycle: G0/G1 - Progression dans le cycle: G1/S/G2/M - Surveillance du cycle cellulaire: Les points de contrôle Mort cellulaire Adhérence et migration La pathologie cancéreuse (exemple)  La cellule eucaryote dans son environnement Métazoaires Différenciation C B F C B C A G B D A H A E I Sénescence Signaux de Equilibre entre signaux Signaux de prolifération de survie et de mort « migration » Mort cellulaire Cellule différenciée Survie de la cellule Division cellulaire en migration  Les grands concepts en biologie cellulaire o Le micro-environnement cellulaire contient de nombreux signaux o La communication cellulaire: Récepteurs, transduction du signal o Les réponses cellulaires: au niveau transcriptionnel, traductionnel, post-traductionnel Effet sur la quantité protéique: transcription, traduction (et dégradation) Modifications post-traductionnelles - Ubiquitination et Dégradation - Clivage - Formation de complexes (Association/Dissociation de partenaires) - Liaison covalente de différents groupements chimiques par des enzymes spécialisées : Phosphorylation, Méthylation/acétylation/hydroxylation, Glycosylation, Acylation (membranes) Contrôle de la localisation intra-cellulaire (des changements de localisation déterminent la quantité relative, des associations possibles ou impossibles, …)  Le micro-environnement cellulaire contient de nombreux signaux B C D A La production de ces signaux est régulée E Comment la cellule répond elle à ces signaux? Recevoir le signal Le transmettre au niveau intracellulaire (transduction) Transmission et donc … répondre … Réponse cellulaire adaptée  Le micro-environnement cellulaire contient de nombreux signaux B C D A La production de ces signaux est régulée E Comment la cellule répond elle à ces signaux? Recevoir le signal Le transmettre au niveau intracellulaire (transduction) Transmission et donc … répondre … Réponse cellulaire adaptée (ex. changement phénotype)  Le micro-environnement cellulaire contient de nombreux signaux B C D A La production de ces signaux est régulée E Comment la cellule répond elle à ces signaux? Recevoir le signal Le transmettre au niveau intracellulaire (transduction) Transmission et donc … répondre … Au niveau moléculaire, la cascade est initiée par … l’interaction d’un ligand avec un récepteur Réponse cellulaire adaptée (ex. changement phénotype)  Les grands concepts en biologie cellulaire o Le micro-environnement cellulaire contient de nombreux signaux o La communication cellulaire: Récepteurs, transduction du signal o Les réponses cellulaires: au niveau transcriptionnel, traductionnel, post-traductionnel Effet sur la quantité protéique: transcription, traduction Modifications post-traductionnelles - Ubiquitination et Dégradation - Clivage - Formation de complexes (Association/Dissociation de partenaires) - Liaison covalente de différents groupements chimiques par des enzymes spécialisées : Phosphorylation, Méthylation/acétylation/hydroxylation, Glycosylation, Acylation (membranes) etc… Contrôle de la localisation intra-cellulaire (des changements de localisation déterminent la quantité relative, des associations possibles ou impossibles, …) La communication cellulaire (Récepteurs, transduction du signal)  La communication cellulaire (Récepteurs, transduction du signal) La réception… Molécule de signalisation: Ligand Récepteur Voie de signalisation  La communication cellulaire (Récepteurs, transduction du signal) Molécule de signalisation: Ligand Récepteur Voie de signalisation Majorité : Ligands hydrophiles -> récepteurs de surface Exemple: EGF (Epidermal Growth Factor)  La communication cellulaire (Récepteurs, transduction du signal) Molécule de signalisation: Ligand Récepteur Voie de signalisation Ligands hydrophobes : diffusent à travers les membranes Ex.: hormones stéroïdes, hormones thyroïdiennes, vitamine D …  La communication cellulaire (Récepteurs, transduction du signal) 4 grandes familles de récepteurs (I) Famille des récepteurs ionotropes Canaux ioniques chimio-dépendants Exemple: récepteur nicotinique de l’acétylcholine situé dans la membrane post-synaptique de neurones et de cellules musculaires Sans ligand: canal fermé Avec ligand: canal ouvert (Na+ et K+) Cellule cible nerveuse ou musculaire  La communication cellulaire (Récepteurs, transduction du signal) 4 grandes familles de récepteurs (II) Famille des Récepteurs « enzymatiques » Récepteurs fonctionnant comme une enzyme ou couplés à une enzyme Exemples : activité Tyrosine kinase Activité Serine-/thréonine kinase Activité Guanylate cyclase La communication cellulaire (Récepteurs, transduction du signal) Récepteurs « enzymatiques » Exemple des récepteurs dimériques à activité tyrosine kinase (RTK) (ligands: facteurs de croissance, tel l’EGF)  La communication cellulaire (Récepteurs, transduction du signal) 4 grandes familles de récepteurs (III) Adénylate cyclase AMPc Ex: PKA Famille des RCPG: Récepteurs couplés à une protéine G hétérotrimérique (souvent récepteur à 7 domaines transmembranaires) La protéine G hétéro-trimérique est un relai entre le récepteur et une protéine effectrice (par ex. Adénylate cyclase)  La communication cellulaire (Récepteurs, transduction du signal) L’ AMP cyclique (AMPc) est synthétisé par l’adénylate cyclase suite à son activation par la sous-unité Ga-GTP. ATP AMPc L’AMPc est un « second messager »; il diffuse dans le cytosol et active ses cibles, par exemple la protéine kinase A (PKA) , permettant d’initier et d’amplifier rapidement la signalisation intracellulaire.  La communication cellulaire (Récepteurs, transduction du signal) 4 grandes familles de récepteurs (IV) milieu extracellulaire Membrane plasmique YaroslavaL’hormone Shevchenko se lie au Thyroid récepteur monomérique Hormone ou dimérique Receptor Famille des récepteurs nucléaires Constitués d’un domaine de liaison du ligand et d’un domaine de liaison à l’ADN Exemple: récepteurs des hormones thyroïdiennes T3/T4  Le micro-environnement cellulaire contient de nombreux signaux B C D A La production de ces signaux est régulée E Comment la cellule répond elle à ces signaux? Recevoir le signal Le transmettre au niveau intracellulaire (transduction) Transmission et donc … répondre … Au niveau moléculaire, la cascade est initiée par l’interaction d’un ligand avec un récepteur (un système « plastique ») Réponse cellulaire adaptée Un ligand un récepteur (ex. changement phénotype) Un ligand plusieurs récepteurs Plusieurs ligands un récepteur  Le micro-environnement cellulaire contient de nombreux signaux Des récepteurs différents sont responsables de réponses différentes Même ligand (acétylcholine) 2 types cellulaires différents 2 récepteurs différents /www.khanacademy.org/science/biology/ cell-signaling/mechanisms-of-cell- 2 réponses cellulaires différentes signaling Le micro-environnement cellulaire contient de nombreux signaux Comment ces signaux sont ils interprétés dans la cellule ? Exemple des macrophages Mobilisés pour éliminer les pathogènes mais aussi pour réparer des tissus endommagés un récepteur unique (TLR4) Toll-Like Receptor 4 Sci Signal. 2016 Aug 30 Le micro-environnement cellulaire contient de nombreux signaux Comment ces signaux sont ils régulés ? Influence du ligand et du micro-environnement Macrophages : des cellules montrant une « plasticité » LPS tenascin-C Mobilisés pour éliminer les pathogènes mais aussi pour réparer des tissus endommagés un récepteur unique (TLR4) … Selon le ligand, la réponse cellulaire est différente: - Inflammation - Réparation tissulaire Sci Signal. 2016 Aug 30  Introduction générale o Le micro-environnement cellulaire contient de nombreux signaux o La communication cellulaire: Récepteurs, transduction du signal o Les réponses cellulaires: au niveau transcriptionnel, traductionnel, post-traductionnel Effet sur la quantité protéique: transcription, traduction, dégradation Modifications post-traductionnelles - Ubiquitination et Dégradation - Clivage - Formation de complexes (Association/Dissociation de partenaires) - Liaison covalente de différents groupements chimiques par des enzymes spécialisées : Phosphorylation, Méthylation/acétylation/hydroxylation, Glycosylation, Acylation (membranes) Contrôle de la localisation intra-cellulaire (des changements de localisation déterminent la quantité relative, des associations possibles ou impossibles, …)  Les réponses cellulaires aux signaux externes ligand Voie de signalisation Recepteur de intracellulaire surface Noyau A C MODIFICATION DE LA B FONCTION DES REPONSE RAPIDE PROTEINES (QUALITE) REPONSE LENTE ( transcription/traduction B : poly-ubiquitination/ dégradation QUALITE (activité) a. Clivage interne b. Association protéine-protéine Modifications c. Liaison covalente de différents groupements post-traductionnelles - Phosphorylation - Méthylation/acétylation/hydroxylation - Glycosylation - Acylation (membranes) - Mono-ubiquitination - Etc…  Comment est régie la quantité absolue d’une protéine ? La quantité d‘une protéine à l’instant t dans la cellule résulte de l’équilibre entre sa synthèse et sa dégradation Turn-over, demi-vie A : transcription/traduction Les étapes de l’expression génétique, le dogme de la biologie moléculaire A : transcription/traduction : de nombreux niveaux de régulation existent Etapes Régulations possibles Acétylation et Structure méthylation des chromatine histones Méthylation ADN Initiation transcription Activation ou répression de la Transcription (facteurs de transription) Elongation Terminaison Terminaison prématurée niveau protéique Maturation final ARN (Cap, poly A, splicing etc.. Splicing alternatif Transport Inhibition N->Cyto transport Contrôle de la Traduction traduction Stabilité des Dégradation ARNm A : transcription/traduction : de nombreux niveaux de régulation existent Importance de l’état de la chromatine Etapes Régulations possibles Acétylation et Structure méthylation des chromatine histones Méthylation ADN Initiation Activation ou transcription répression de la transcription Elongation Terminaison Terminaison prématurée niveau protéique Maturation final ARN (Cap, poly A, splicing etc.. Splicing alternatif Transport Inhibition N->Cyto transport Contrôle de la Traduction traduction (rare) Stabilité des Dégradation ARNm A : transcription/traduction Le degré de condensation de la chromatine module son aptitude à être transcrite Double hélice d’ADN Octamère d’histones Acétylation et méthylation des ADN histones Méthylation de l’ADN Fibre de 30nm : euchromatine Hétérochromatine Chromosome condensé  A : transcription/traduction Rappel: les gènes eucaryotes sont morcelés Structure du gène nucléotide +1 Terminaison / poly-adénylation séquence(s) de régulation promoteur unité de transcription 5' 3' ADN Exon 1 Intron 1 Exon 2 Intron 2 Exon3 3' 5' A : transcription/traduction -> régulation de l’initiation de la transcription la fréquence d’initiation détermine le taux de transcription : liaison de l’ARN polymérase et démarrage A : transcription/traduction: les facteurs activateurs de la transcription augmentent la fréquence d’initiation Transcription/Traduction Activation de la transcription Exemple : hormone thyroïdienne (hydrophobe) et son récepteur nucléaire milieu extracellulaire Membrane plasmique L’hormone se lie au Thyroid récepteur monomérique Hormone ou dimérique Receptor ARN polymérase II TRE: A : transcription/traduction : de nombreux niveaux de régulation existent Etapes Régulations possibles Structure Acétylation histones Méthylation ADN chromatine Initiation Activation ou transcription répression de la transcription Elongation Terminaison Terminaison prématurée niveau protéique Maturation final ARN (Cap, poly A, splicing etc.. Splicing alternatif Transport Inhibition Régulation N->Cyto transport possible Contrôle de la de l’ARNm Traduction traduction (rare) Stabilité des Dégradation ARNm  A : transcription/traduction, exemple de la réponse aux facteurs de croissance /www.khanacademy.org/science/biology/ cell-signaling/mechanisms-of-cell- signaling  Les grands concepts en biologie cellulaire o Le micro-environnement cellulaire contient de nombreux signaux o La communication cellulaire: Récepteurs, transduction du signal o Les réponses cellulaires: au niveau transcriptionnel, traductionnel, post-traductionnel Effet sur la quantité protéique: transcription, traduction Modifications post-traductionnelles - Ubiquitination et Dégradation - Clivage - Formation de complexes (Association/Dissociation de partenaires) - Liaison covalente de différents groupements chimiques par des enzymes spécialisées : Phosphorylation, Méthylation/acétylation/hydroxylation, Glycosylation, Acylation (membranes) Contrôle de la localisation intra-cellulaire (des changements de localisation déterminent la quantité relative, des associations possibles ou impossibles, …)  Les réponses cellulaires aux signaux externes ligand Example: Voie de signalisation Recepteur de intracellulaire surface Noyau A C MODIFICATION DE LA B FONCTION DES REPONSE RAPIDE PROTEINES (QUALITE) REPONSE LENTE (