BMCP – Différenciation cellulaire

04/03/2014LETOUCHE Marie-Lou L2BMCPPr. M. GASTALDImarguerite.gastaldi@univ-amu.fr16 pagesRelecteur 5

Différenciation cellulaire

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Plan : A. Définitions, étapes et principes généraux B. Cellules souches et lignage cellulaire C. Détermination/ différenciation D. Contrôles moléculaires et cellulaires

I. Prolifération, différenciation et cycle cellulaire II. Facteurs intrinsèques III.Facteurs extrinsèques

E. Maitien de l'état diférencié I. Régulation intrinsèque II. Régulation extrinsèque III.Comportements cellulaires différents

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A. Définitions, étapes, principes généraux

Différentiation : acquisition d'une fonction et d'une morphologie spécialisées et définitives.

→ Plus la cellule se différencie et plus la nature et le nombre de gênes exprimés est restreint, spécialisé et peu plastique.

Caractéristiques :• La différenciation est induite par des signaux extérieurs à la cellule et par un programme de détermination

interne.• On peut la mettre en évidence par des modifications qualitatives du phénotype (par la synthèse d'un

nouveau produit par un gêne) → spécialisation du phénotype cellulaire.• Elle est irréversible.

Devenir d'une cellule : 3 possibilités /!\Selon le type de signal extérieur, la cellule va entrer en apoptose, se différencier ou continuer sa prolifération.

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Caractéristique de la différenciation :

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Les étapes :

La cellule va tout d'abord recevoir un signal de maintien de l'état indifférencié et va donc continuer de proliférer en donnant des cellules identiques à elle même, ce qui va permettre l'auto-renouvellement du cycle dans lequel cette cellule réside. Elle va recevoir, à un moment donné, un premier signal de différenciation, qui va entrainer la mise en place de tout le programme de différenciation. Dans un premier temps, il n'y a aucunes modifications morphologiques, ni fonctionnelles puis quelques modifications fonctionnelles bien qu'il n'y ait pas de modifications morphologique (= cellules déterminées). Puis elle reçoit une série de deuxièmes signaux et elle va acquérir une structure différente et une fonction différente (= cellules différenciées).

Différenciation et apoptose :

➢ Activation “ physiologique ” d'un programme d'apopotose (certains types cellulaire) :

Ex : au cours du développement :• la formation des doigts et espaces interdigitaux• la mise en place d'une cavité au sein d'un organe initialement plein (cavité pré-anmiotique)

➢ Activation “ pathologique ” d'un programme d'apopotose si :

• le signal de différenciation apparait au mauvais moment• le signal de différenciation apparait en quantité insuffisante• les lésions d'ADN n'ont pas pu être réparées

Importance de la mémoire cellulaire :– Elle permet le maintien de l'état différencié.– La majorité des types cellulaires d'un organisme adulte présente des caractéristiques spécialisées stables et

transsmissibles qui sont maintenues même lorsque l'environnement change.

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La mémoire cellulaire repose sur 3 types de facteurs :

– facteurs cytoplasmiques (ex de la drosophile : le gardient d'ARNm donne l'identité de la région antérieure de l'embryon)

– facteurs nucléaires• inactivation du chromosome X• empreinte parentale : méthylation de l'ADN• facteur de transcription (ex : B-HLH et lignage musculaire)

– facteurs autocrines

Différentiation et expression combinée de différentes catégories de gênes :

• Gênes du premier groupe (ou gênes du groupe 1) :

Ce sont des gardiens 'house keeper', non régulés et exprimés dans pratiquement toutes les cellules.

• Gênes du deuxième groupe :

Ils sont impliqués dans la prolifération et sont inactivés dans les cellules différenciées.

• Gênes du troisième groupe :

Ce sont des gênes spécifiques du lignage cellulaire (mémoire cellulaire).

• Gênes du quatrième groupe :

Ce sont des gênes spécifiques des cellules différenciées.

• Gênes du cinquième groupe :

Ces gênes sont impliqués dans les voies de conrôle de la fonction spécifique.

→ Les groupes 3, 4 et 5 sont regroupés sous le nom de gênes de la différenciation.

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(La prof est passée trrrrrès vite sur ce schéma.)

Ectoderme : • épithélium de revêtement• système nerveux

Mésoderme : • muscle• sang• rein• os • gonades

Endoderme = organes internes :• pomons• tractus gastro-intestinal

Moyens d'étude : (la prof a plus insisté sur ceux que j'ai mis en gras et a cité rapidement les autres)

– tarditionnels : observation et embryologie expérimentale– marquages cellulaires (ex : Ac) – cultures cellulaires – modèles animaux– aminaux transgéniques (surexpression, KO = supression de gènes)– puces à ADN, à ARN– analyses de la chromatine

B. Cellules souches et lignage cellulaire

Certaines cellules persistent pendant toute la vie de l'individu sans renouvellement, d'autres sont remplacées. Ce remplacement se fait par les cellules souches : cellules indifférenciées qui reproduisent à l'identique la cellule souhaitée, sans modification du phénotype.

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➢ Toutes les cellules souches ont 3 propriétés : (+++)

• l'autorenouvellement : nombre illimité de divisons avec production de cellules filles identiques et cellules s'engageant dans une voie de différenciation

• une capacité de prolifération élevée ou illimitée• la potentialité : capacité à se différencier

➢ Notion de niche La niche est un site spécifique dans un tissu où résident les cellules souches. Elle comporte aussi des cellules mésenchymateuses. Elle a un rôle dans le contrôle de l'auto-renouvellement des cellules souches (par l'intermédiaires des facteurs de croissance).

Lignages cellulaire : cellules dérivant d'une même cellule souche avec un devenir restreint à un type de différenciation.

(Ces 4 schémas suivants sont surtout là à titre d'exemple, il ne faut pas apprendre le détail)

FOIE

MUSCLE

ORGANOGENESE SYSTEME NERVEUX

SYSTEME HEMATOPOIETIQUE

SYSTEME DIGESTIF

EXEMPLE DE LIGNAGE DES CELLULES DU MESODERME

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EXEMPLE DE LIGNAGE DES CELLULES INTESTINALES

→ L'intestin se différencie chez l'adulte le long de l'axe crypte-villosité.

C. Détermination/ différentiation

La cellule déterminée est engagée dans une voie de différenciation, cependant, il n'y a pas encore de modifications structurales ou fonctionnelles visibles. MAIS, elle possède une capacité de développement plus limitée et elle engage sa descendance dans une voie de développement spécialisée. C'est un moment défini expérimentalement.

La cellule différenciée possède une fonction et une morphologie spécialiées et définitives. Sa différenciation est induite par des signaux extérieurs et par un programme d'expression séquentielle et coordonnée de gênes. Plus la cellule se différencie et plus la quantité de gênes exprimés est restreinte.

(Il est très important de bien faire la différence entre ces deux stades ! ++++)

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D. Contrôles moléculaires et cellulaires

(Ce schéma est important ++, il résume [très simplement, n'apprennez pas que ça !!] cette partie du cours)

I. Prolifération, différenciation et cycle cellulaire

La détermination et la différenciation cellulaires reflètent l'expression de gênes de contrôle.

3 questions :

• Quelle est la nature des molécules impliquées ?• Quel est le mécanisme de mémoire ?• Comment détermination et différenciation sont elles liées ?

Réponse :

Ce sont souvent les mêmes types de molécules (ou de variants) qui sont exprimées à différents moments successifs ou à différents endroits.

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Arrêt du cycle cellulaire : (Ce schéma est à titre d'illustration, les détails ne sont pas à retenir)

Il y a induction de la différenciation par des signaux extérieurs, ce qui provoque la décision de l'arrêt du cycle en phase G1 par l'augmentation de l'expression de la protéine p21.→ La p21 bloque la cycle cellulaire et induit la différenciation.

Rôle de p21 dans la différenciation musculaire : (idem pour celui-ci !)

L'augmentation de l'expression de p21 succède à celle de p53, s'accompagne de l'induction de marqueurs musculaires comme la myogénine.

Souris mutées p21 -/- :• pas de différenciation musculaire• pas de cellules musculaires• pas de facteurs de transcription de la myogénine

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II. Facteurs intrinsèques

La régulation intrinsèque correspond à la mise en place de la répression des gênes de prolifération et l'expression des gênes du lignage.

a) au niv de l'ADN ou ARN

– degré de méthylation de l'ADN (CpG ilots, cytosines)• la méthylation est un mécanisme répresseur de la transcription en règle général (plus l'ADN sera

méthylée et moins il y aura accessibilité du génome pour les FRT)• elle fait intervenir une enzyme : la 3 DNA méthyltransférase (Dnmst)• très faible dans les cellules souches (elles possèdent une expression des gênes importante)• hyperméthylation au cours de la différenciation : répression du programme de pluripotence (cf

cellule iPS)

– degré de compaction de la molécule d'ADN dans les nucléosomes (réduit l'accès pour les facteurs qui se lient à l'ADN)

• ratio homochromatine/ hétérochromatine variable :✔ au sein du noyau✔ au cours de la différenciation✔ au cours du cycle cellulaire

• degré d'acétylation des histones• facteurs ATP dépendants (complexe swi-snf) qui décompactent l'ADN

– ADN et matrice nucléaire– ARN non codant (nc RNA) → La prof a juste cité ces 4 derniers points.– RNA editing – miRNA

b) facteurs de transcription (niveau trans)

Ici, nous parlons des facteurs qui agissent par eux-mêmes. (Attention, il existe aussi des facteurs de transcription induits par la fixation d'un ligand.)

Ex des facteurs de transcription : Myc, Max, MadIls forment des hétéro-dimères Myc-Max ou Mad-Max.Les dimères Myc-Max sont actifs pendant la prolifération et les dimères Mad-Max sont actifs pendant la différenciation. Ils ont des effets antagonistes.

Myc a un demi-vie courte (de 20-30 min) :– exprimé lors de la transition G0-G1 (+ facteurs de croissance)– Myc élevé → les cellules prolifèrent

Mad :– non exprimée lors de la prolifération– augmentée par les inducteurs de la différenciation– lie Max, d'où la compétition avce Myc

Max a une expression constante au cours du cycle cellulaire.

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III. Facteurs extrinsèques

a) Fact diffusibles

– hormones– facteurs de croissance

b) intéraction avec la matrice extracellulaire (MEC) ou avec la lame basale

ex : épithélium, mésenchyme

c) contacts cellule-cellule

Interaction intercellulaire médiée par : – les récepteurs transmembranaires qui lient les facteurs de croissance et les CAM– les hormones et leurs récepteurs– les récepteurs couplés aux protéines G

→ Voies de signalisation intracellulaire qui aboutissent à l'activation ou l'inhibition des facteurs de transcription.

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Ce tableau n'est pas à savoir, seul sont à “retenir” les deux voies que la prof a développé, encore que.. (apprenez pas le détail car la prof est passé vite, mais l'essentiel)

Voie 2 :Récepteur de la voie du TGF-béta (apprennez surtout ce qu'il y a dans le tableau car elle a pas vraiment expliqué les deux schémas suivants)

Seul le récepteur type 2 lie le TGF-β, la liaison de TGF-β induit la dimérisation des récepteurs de type 1 et 2.

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Voie 3 :Voie de Wnt/ béta-caténine (savoir ce qui est dit dans le paragraphe au dessous du schéma)

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SCHEMA RECAPITULATIF DES VOIES

(Il ne faut pas savoir le détail, c'était juste pour nous montrer toutes les voies intracellulaires.)

E. Maintien de l'état de différentiation

La plupart des cellules maintiennent leur phénotype (même placées dans un autre environnement).

I. Régulation intrinsèque :

Les gênes ont une mémoire de leur état fonctionnel.

La régulation intrinsèque se fait par les fateurs de transcription, les régions d'ADN accessibles ou non, l'acétylation des histones, ...

– traits épigénétiques : (sans modification de la séquence d'ADN) traits transmissible

– autres : régulée par le lignage spécifique en permanenceex : expression de MyoD et augmentation de l'acétylation des histones au niveau des régions au voisinage de la liaison de MyoD à l'ADN → Cela permet la fixation des autres facteurs.

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Transfection cDNA MyoD

Fibroblaste cellule musculaire

L'expression de MyoD dans les fibroblastes suffit à les convertir en cellules musculaires, mais c'est un phénomène transitoire.Le maintien nécessite l'expression permanente de MyoD.

II. Régulation extrinsèques

Elle concerne les interactions cellulaires et la matrice extracellulaire (MEC).

III. Comportements cellulaires différents

a) cellules qui ne se renouvellent pas

b) cellules qui se renouvellent

• par mitoses (hépatocytes, cellules endothéliales, …)

• par les cellules souches – locales dans le tissu : cellules épithéliales (peau, épithélium digestif) et cellules musculaires– à distance : cellules souches pluripotentes de la moelle osseuse

• plasticité du tissu : adipocytes ou chondrocytes à partir du tissu conjonctif

Merci Magali pour ton appareil photo (même sans batterie..) !Merci à Camille pour me supporter à chaque ronéo, t'inquiète, m'en reste plus qu'un ! ♥Pas merci à Loic pour ta compote d'avocat..Pas merci pour toutes vos réflexions sur monsieur boucle d'oreille ! (Grrrr !)Et désolée Jess, pour mon kiddnapping de tes trucs au soja !!

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