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Biologie moléculaire de la cellule	p_C). VWC, von Willebrand type C ; FBG, semblable un fibrinog ne. (adapt de r.O. hynes et a. Naba, Cold Spring Harb. Perspect. Biol. 4 :a004903, 2012.) comme des pistes le long desquelles les cellules peuvent migrer ou comme des r pulsifs qui maintiennent les cellules hors des zones interdites. Ils peuvent galement se lier et ainsi influencer la fonction des facteurs de croissance peptidiques et d'autres petites mol cules produites par les cellules voisines. Le membre le mieux compris de cette classe de prot ines matricielles est la fibronectine, une grande glycoprot ine pr sente chez tous les vert br s et importante pour de nombreuses interactions cellule-matrice. Les souris mutantes qui sont incapables de fabriquer de la fibronectine meurent t t dans l'embryogen se parce que leurs cellules endoth liales ne parviennent pas former des vaisseaux sanguins appropri s. On pense que le d faut r sulte d'anomalies dans les interactions de ces cellules avec la matrice extracellulaire environnante, qui contient normalement de la fibronectine. La fibronectine est un dim re compos de deux tr s grandes sous-unit s reli es par des liaisons disulfure leurs extr mit s C-terminales. Chaque sous-unit contient une s rie de petits domaines r p t s, ou modules, s par s par de courts tron ons de cha ne polypeptidique flexible (Figure 19 47). Chaque domaine est g n ralement cod par un exon distinct, ce qui sugg re que le g ne de la fibronectine, comme les g nes codant pour de nombreuses prot ines matricielles, a volu par duplications multiples d'exons. Dans le g nome humain, il n'y a qu'un seul g ne de la fibronectine, contenant environ 50 exons de taille similaire, mais les transcrits peuvent tre piss s de diff rentes mani res pour produire plusieurs isoformes de fibronectine (voir Figure 19-46). Le domaine de r p tition majeur de la fibronectine est appel la r p tition de fibronectine de type III, qui compte environ 90 acides amin s et se produit au moins 15 fois dans chaque sous-unit . Cette r p tition est l'un des domaines prot iques les plus courants chez les vert br s. La fibronectine se lie aux int grines Une fa on d'analyser une mol cule prot ique multifonctionnelle complexe telle que la fibronectine est de synth tiser des r gions individuelles de la prot ine et de tester leur capacit se lier d'autres prot ines. Gr ce ces m thodes et d'autres, il a t possible de montrer qu'une r gion de la fibronectine se lie au collag ne, une autre aux prot oglycanes et une autre des int grines sp cifiques la surface de divers types de cellules (voir Figure 19-47B). Des peptides synth tiques correspondant diff rents segments du domaine de liaison l'int grine ont ensuite t utilis s pour montrer que la liaison d pend d'une s quence tripeptide sp cifique (Arg-Gly-Asp, ou RGD) que l'on trouve dans l'une des r p titions de type III (voir Figure 19-47C). M me les peptides tr s courts contenant cette s quence RGD peuvent entrer en comp tition avec la fibronectine pour le site de liaison sur les cellules, inhibant ainsi l'attachement des cellules une matrice de fibronectine. Plusieurs prot ines extracellulaires, en plus de la fibronectine, ont galement une s quence RGD qui m die la liaison la surface cellulaire. Beaucoup de ces prot ines sont des composants de la matrice extracellulaire, tandis que d'autres sont impliqu es dans la coagulation du sang. Peptides Figure 19 47 La structure d'un dim re de fibronectine. a) Micrographies lectroniques de mol cules individuelles de dim res de fibronectine ombrag es avec du platine ; des fl ches rouges marquent les terminus C joints. (B) les deux cha nes polypeptidiques sont similaires mais g n ralement pas identiques ( tant fabriqu es partir du m me g ne mais partir d'ARm piss s diff remment). ils sont reli s par deux liaisons disulfure pr s des extr mit s C. Chaque cha ne compte pr s de 2500 acides amin s et est pli e en plusieurs domaines (voir Figure 19-46). Comme indiqu , certains domaines sont sp cialis s pour la liaison une mol cule particuli re. Pour simplifier, tous les sites de liaison connus ne sont pas affich s. (C) la structure tridimensionnelle des neuvi me et dixi me r p titions de fibronectine de type III, d termin e par cristallographie aux rayons X. Les s quences arg-Glyasp (rGD) et les s quences de synergie indiqu es en rouge sont importantes pour la liaison aux int grines la surface des cellules. (a, d'apr s J. Engel et al., J. Mol. Biol. 150:97 120, 1981. Avec l'autorisation de la presse acad mique ; C, de Daniel J. Leahy, Annu. Rev. Cell Dev. Biol. 13:363-393, 1997. Avec l'autorisation des revues annuelles.) 1068 Chapitre 19 : Les jonctions cellulaires et la matrice extracellulaire contenant la s quence RGD ont t utiles dans le d veloppement de m dicaments anticoagulants. Certains serpents utilisent une strat gie similaire pour faire saigner leurs victimes : ils s cr tent des prot ines anticoagulantes contenant des RGD
Biologie moléculaire de la cellule	appel es disint grines dans leur venin. Les r cepteurs de surface cellulaire qui se lient aux prot ines contenant la RGD sont membres de la famille des int grines, que nous d crirons en d tail plus loin. Chaque int grine reconna t sp cifiquement son propre petit ensemble de mol cules matricielles, ce qui indique qu'une liaison serr e n cessite plus que la s quence RGD. De plus, les s quences RGD ne sont pas les seuls motifs de s quence utilis s pour se lier aux int grines : de nombreuses int grines reconnaissent et se lient d'autres motifs la place. La tension exerc e par les cellules r gule l'assemblage des fibrilles de fibronectine La fibronectine peut exister la fois sous une forme soluble, circulant dans le sang et d'autres fluides corporels, et sous forme de fibrilles de fibronectine insolubles, dans lesquelles les dim res de fibronectine sont r ticul s les uns aux autres par des liaisons disulfure suppl mentaires et font partie de la matrice extracellulaire. Cependant, contrairement aux mol cules de collag ne fibrillaires, qui peuvent s'auto-assembler en fibrilles dans un tube essai, les mol cules de fibronectine ne s'assemblent en fibrilles qu' la surface des cellules, et seulement l o ces cellules poss dent des prot ines de liaison la fibronectine appropri es, en particulier les int grines. Les int grines assurent une liaison entre la fibronectine l'ext rieur de la cellule et le cytosquelette d'actine l'int rieur de celle-ci. La liaison transmet la tension aux mol cules de fibronectine condition qu'elles aient galement une attache une autre structure et les tire, exposant des sites de liaison cryptiques dans les mol cules de fibronectine (Figure 19-48). Cela leur permet de se lier directement les uns aux autres et de recruter des mol cules de fibronectine suppl mentaires pour former une fibrille (Figure 19 49). Cette d pendance la tension et l'interaction avec les surfaces cellulaires garantit que les fibrilles de fibronectine s'assemblent l o il y a un besoin m canique et non dans des endroits inappropri s tels que la circulation sanguine. De nombreuses autres prot ines de la matrice extracellulaire contiennent plusieurs copies de la r p tition de fibronectine de type III (voir Figure 19-46), et il est possible que la tension exerc e sur ces prot ines r v le galement des sites de liaison cryptiques et influence ainsi leur comportement. La lame basale est une forme sp cialis e de matrice extracellulaire Jusqu' pr sent, dans cette section, nous avons pass en revue les principes g n raux qui sous-tendent la structure et la fonction des principales classes de composants de la matrice extracellulaire. Nous d crivons maintenant comment certains de ces composants sont assembl s en un type sp cialis de matrice extracellulaire appel lame basale ( galement connue sous le nom de membrane basale). Cette feuille extr mement mince, r sistante et flexible de mol cules matricielles est un fondement essentiel de tous les pith liums. Bien que de petit volume, il joue un r le essentiel dans l'architecture du corps. Comme les cadh rines, elle semble tre l'une des caract ristiques d terminantes communes tous les animaux multicellulaires, et elle semble tre apparue tr s t t dans leur volution. Les principaux composants mol culaires de la lame basale font partie des macromol cules de matrice extracellulaire les plus anciennes. Les lames basales ont g n ralement une paisseur de 40 120 nm. Une feuille de lame basale se trouve non seulement sous les cellules pith liales, mais entoure galement les cellules musculaires individuelles, les cellules adipeuses, Figure 19 48 D tection de la tension par la fibronectine. On pense que certaines r p titions de fibronectine de type III se d ploient lorsque la fibronectine est tir e. le d pliage expose des sites de liaison cryptiques qui interagissent avec d'autres mol cules de fibronectine, ce qui entra ne la formation de filaments de fibronectine comme ceux illustr s sur la figure 19-49. (Extrait de V. Vogel et M. Sheetz, Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 7:265-275, 2006. Avec l'autorisation de Macmillan publishers Ltd.) Figure 19 49 Organisation de la fibronectine en fibrilles la surface de la cellule. Cette micrographie fluorescence montre l'extr mit avant d'un fibroblaste de souris en migration. La fibronectine extracellulaire est color e en vert et les filaments d'actine intracellulaires sont color s en rouge. La fibronectine est initialement pr sente sous forme de petits agr gats en forme de points pr s du bord d'attaque de la cellule. Il s'accumule au niveau des adh rences focales (sites d'ancrage des filaments d'actine, discut s plus loin) et s'organise en fibrilles parall les aux filaments d'actine. Les mol cules d'int grine qui recouvrent la membrane cellulaire lient la fibronectine l'ext rieur de la cellule aux filaments d'actine l'int rieur de celle-ci (voir Figure 19-55). On pense que la tension exerc e sur les
Biologie moléculaire de la cellule	mol cules de fibronectine par cette liaison les tire, exposant les sites de liaison qui favorisent la formation de fibrilles. (Avec l'aimable autorisation de Roumen Pankov et Kenneth Yamada.) et les cellules de Schwann (qui s'enroulent autour des axones des cellules nerveuses p riph riques pour former la my line). La lame basale s pare ainsi ces cellules et ces pith liums du tissu conjonctif sous-jacent ou environnant et forme la connexion m canique entre elles. d'autres endroits, comme le glom rule r nal, une lame basale se trouve entre deux feuillets cellulaires et fonctionne comme un filtre s lectif (Figure 19-50). Cependant, les lames basales ont plus que de simples r les structurels et filtrants. Ils sont capables de d terminer la polarit cellulaire ; influencer le m tabolisme cellulaire ; organiser les prot ines dans les membranes plasmiques adjacentes ; favoriser la survie, la prolif ration ou la diff renciation cellulaires ; et servent d'autoroutes pour la migration cellulaire. Le r le m canique n'en est pas moins essentiel. Dans la peau, par exemple, la couche externe de l' pith lium l' piderme d pend de la force de la lame basale pour la maintenir attach e au tissu conjonctif sous-jacent le derme. Chez les personnes pr sentant des d fauts g n tiques dans certaines prot ines de la lame basale ou dans un type sp cial de collag ne qui ancre la lame basale au tissu conjonctif sous-jacent, l' piderme se d tache du derme. Cela provoque une maladie v siculeuse appel e pidermolyse bulleuse jonctionnelle, une maladie grave et parfois mortelle. La laminine et le collag ne de type IV sont des composants majeurs de la lame basale La lame basale est synth tis e par les cellules de chaque c t de celle-ci : les cellules pith liales apportent un ensemble de composants de la lame basale, tandis que les cellules du lit sous-jacent de tissu conjonctif (appel stroma, grec pour litage ) apportent un autre ensemble (Figure 19-51). Bien que la composition pr cise de la maturit la lame basale varie d'un tissu l'autre et m me d'une r gion l'autre dans la m me lame, elle Figure 19 50 Trois fa ons d'organiser les lames basales. Des lames basales (jaunes) entourent certaines cellules (telles que les cellules musculaires squelettiques), sous-tendent les pith liums et sont interpos es entre deux feuillets cellulaires (comme dans le glom rule r nal). Notez que, dans le glom rule r nal, les deux feuillets cellulaires ont des lacunes, et que la lame basale a une fonction de filtrage et de soutien, aidant d terminer quelles mol cules passeront dans l'urine partir du sang. La filtration d pend galement d'autres structures base de prot ines, appel es diaphragmes fente, qui enjambent les espaces intercellulaires de la feuille pith liale. Figure 19 51 La lame basale de la corn e d'un embryon de poussin. Dans cette micrographie lectronique balayage, certaines cellules pith liales ont t retir es pour exposer la surface sup rieure de la lame basale en forme de tapis. Un r seau de fibrilles de collag ne dans le tissu conjonctif sous-jacent interagit avec la partie inf rieure de la face inf rieure. (Avec l'aimable autorisation de robert trelstad.) contient g n ralement les glycoprot ines laminine, collag ne de type IV et nidog ne, ainsi que le prot oglycane perlecan. D'autres composants courants de la lame basale sont la fibronectine et le collag ne de type XVIII (un membre atypique de la famille du collag ne, formant la prot ine de base d'un prot oglycane). La laminine est le principal organisateur de la structure de la feuille et, au d but du d veloppement, les lames basales sont principalement constitu es de mol cules de laminine. Les laminines comprennent une grande famille de prot ines, chacune compos e de trois longues cha nes polypeptidiques ( , et ) maintenues ensemble par des liaisons disulfure et dispos es en forme de bouquet asym trique, comme un bouquet de trois fleurs dont les tiges sont torsad es ensemble au pied mais dont les t tes restent s par es (Figure 19-52). Ces h t rotrim res peuvent s'auto-assembler in vitro en un r seau, en grande partie gr ce aux interactions entre leurs t tes, bien que l'interaction avec les cellules soit n cessaire pour organiser le r seau en une feuille ordonn e. Comme il existe plusieurs isoformes de chaque type de cha ne, et que celles-ci peuvent s'associer dans diff rentes combinaisons, de nombreuses laminines diff rentes peuvent tre produites, cr ant des lames basales aux propri t s distinctives. La cha ne 1 de la laminine est cependant un composant de la plupart des h t rotrim res de laminine ; Les souris qui en sont d pourvues meurent au cours de l'embryogen se parce qu'elles sont incapables de fabriquer des lames basales. Le collag ne de type IV est un deuxi me composant essentiel des lames basales matures, et il existe galement sous plusieurs isoformes. Comme les collag nes fibrillaires qui constituent la majeure partie de la prot ine
Biologie moléculaire de la cellule	dans les tissus conjonctifs tels que l'os ou le tendon, les mol cules de collag ne de type IV sont constitu es de trois longues cha nes prot iques synth tis es s par ment qui se tordent ensemble pour former une superh lice en forme de corde ; Cependant, ils diff rent des collag nes fibrillaires en ce que la structure h lico dale triple brin est interrompue dans plus de 20 r gions, permettant de multiples courbures. Les mol cules de collag ne de type IV interagissent via leurs domaines terminaux pour s'assembler extracellulairement en un r seau flexible et feutr qui conf re la lame basale une r sistance la traction. La laminine et le collag ne de type IV interagissent avec d'autres composants de la lame basale, tels que la glycoprot ine nidogen et le prot oglycane perlecan, ce qui donne un r seau hautement r ticul de prot ines et de prot oglycanes (Figure 19-53). Les mol cules de laminine qui g n rent la structure initiale de la feuille se joignent d'abord les unes aux autres tout en se liant des r cepteurs la surface des cellules qui produisent de la laminine. Les r cepteurs de surface cellulaire sont principalement des membres de la famille des int grines, mais un autre type important de r cepteur de la laminine est le dystroglycane, un prot oglycane avec une prot ine centrale qui s' tend sur la membrane cellulaire, faisant pendre ses cha nes GAG dans l'espace extracellulaire. Ensemble, ces r cepteurs organisent l'assemblage de la lame basale : ils maintiennent les mol cules de laminine par leurs pieds, laissant les t tes de laminine positionn es pour interagir de mani re former un r seau bidimensionnel. Ce r seau de laminines coordonne ensuite l'assemblage des autres composants de la lame basale. Dans le glom rule r nal, une lame basale inhabituellement paisse agit comme l'une des couches d'un filtre mol culaire, aidant emp cher le passage des macromol cules du sang dans l'urine lors de la formation de l'urine (voir Figure 19-50). Le prot oglycane dans Figure 19 52 La structure de la laminine. (a) Le membre de la famille le mieux compris est la laminine-111, illustr e ici avec certains de ses sites de liaison pour d'autres mol cules (cases jaunes). Les laminines sont des glycoprot ines multidomaines compos es de trois polypeptides ( , et ) qui sont li s par le disulfure dans une structure asym trique en forme de croix. Chacune des cha nes polypeptidiques compte plus de 1500 acides amin s. Cinq types de cha nes , quatre types de cha nes et trois types de cha nes sont connus, et diverses combinaisons de ces sous-unit s peuvent s'assembler pour former une grande vari t de laminines diff rentes, qui sont nomm es en fonction des num ros attribu s chacune de leurs trois sous-unit s : la laminine-111, par exemple, contient les sous-unit s 1, 1 et 1. Chaque isoforme a tendance avoir une distribution tissulaire sp cifique : la laminine-332 se trouve dans la peau, la laminine-211 dans les muscles et la laminine-411 dans les cellules endoth liales des vaisseaux sanguins. Gr ce leurs sites de liaison pour d'autres prot ines, les mol cules de laminine jouent un r le central dans l'organisation des lames basales et leur ancrage aux cellules. (B) Micrographies lectroniques de mol cules de laminine ombrag es avec du platine. (B, d'apr s J. Engel et al., J. Mol. Biol. 150:97-120, 1981. Avec l'autorisation de la presse universitaire.) la lame basale est importante pour cette fonction : lorsque ses cha nes GAG sont limin es par des enzymes sp cifiques, les propri t s filtrantes de la lame sont d truites. Le collag ne de type IV a galement un r le jouer : dans une maladie r nale h r ditaire humaine (syndrome d'Alport), des mutations dans un g ne du collag ne de type IV entra nent un filtre glom rulaire irr guli rement paissi et dysfonctionnel. Les mutations de la laminine peuvent galement perturber la fonction du filtre r nal, mais d'une mani re diff rente, en interf rant avec la diff renciation des cellules qui le contactent et le soutiennent. La lame basale peut agir comme une barri re s lective au mouvement des cellules, ainsi qu'un filtre pour les mol cules. La lame sous un pith lium, par exemple, emp che g n ralement les fibroblastes du tissu conjonctif sous-jacent d'entrer en contact avec les cellules pith liales. Cependant, il n'emp che pas les macrophages, les lymphocytes ou les processus nerveux de le traverser, en utilisant des enzymes prot ases sp cialis es pour percer un trou pour leur transit. La lame basale est galement importante dans la r g n ration des tissus apr s une blessure. Lorsque les cellules de tissus tels que les muscles, les nerfs et les pith liums sont endommag es ou tu es, la lame basale survit souvent et fournit un chafaudage le long duquel les cellules en r g n ration peuvent migrer. De cette fa on, l'architecture tissulaire originale est facilement reconstruite. Un exemple particuli rement frappant du r le de la lame basale dans la r g n ra
Biologie moléculaire de la cellule	tion provient d' tudes de la jonction neuromusculaire, le site o les terminaisons nerveuses d'un motoneurone forment une synapse chimique avec une cellule musculaire squelettique (discut e au chapitre 11). Chez les vert br s, la lame basale qui entoure la cellule musculaire s pare les membranes plasmiques des cellules nerveuses et musculaires au niveau de la synapse, et la r gion synaptique de la lame a un caract re chimique distinctif, Figure 19 53 Un mod le de la structure mol culaire d'une lame basale. (a) la lame basale est form e par des interactions sp cifiques (B) entre les prot ines laminine, collag ne de type IV et nidog ne, et le prot oglycane perl can. Les fl ches en (B) relient des mol cules qui peuvent se lier directement les unes aux autres. il existe diff rentes isoformes du collag ne et de la laminine de type IV, chacune avec une distribution tissulaire distinctive. On pense que les r cepteurs transmembranaires de la laminine (int grines et dystroglycanes) dans la membrane plasmique organisent l'assemblage de la lame basale ; Seules les int grines sont repr sent es. (D'apr s h. Colognato et p.D. Yurchenco, Dev. Dyn. 218:213-234, 2000. Avec la permission de Wiley-Liss.) coquille de R G N R r siduel retourne au site de la jonction d'origine coupe nerveuse de nouveaux r cepteurs d'ac tylcholine se concentrent sur le site de la jonction d'origineMUSCLE MUSCLE MUSCLE FIBER avec des isoformes sp ciales de collag ne de type IV et de laminine et un prot oglycane appel agrin. Apr s une l sion nerveuse ou musculaire, la lame basale au niveau de la synapse joue un r le central dans la reconstruction de la synapse au bon endroit (Figure 19-54). Des d fauts dans les composants de la lame basale au niveau de la synapse sont responsables de certaines formes de dystrophie musculaire, dans laquelle les muscles se d veloppent normalement mais d g n rent ensuite plus tard dans la vie. Les cellules doivent tre capables de d grader la matrice, ainsi que de la fabriquer La capacit des cellules d grader et d truire la matrice extracellulaire est aussi importante que leur capacit la fabriquer et s'y lier. Une d gradation rapide de la matrice est n cessaire dans des processus tels que la r paration des tissus, et m me dans la matrice extracellulaire apparemment statique des animaux adultes, il y a un renouvellement lent et continu, les macromol cules de la matrice tant d grad es et resynth tis es. Cela permet par exemple de remodeler l'os afin de s'adapter aux changements des contraintes qui s'exercent sur celui-ci. Du point de vue des cellules individuelles, la capacit de couper travers la matrice est cruciale de deux mani res : elle leur permet de se diviser alors qu'elles sont int gr es dans la matrice, et elle leur permet de la traverser. Les cellules des tissus conjonctifs doivent g n ralement pouvoir s' tirer pour se diviser. Si une cellule ne dispose pas des enzymes n cessaires pour d grader la matrice environnante, elle est fortement inhib e dans sa division et sa migration est entrav e. La d gradation localis e des composants de la matrice est galement n cessaire partout o les cellules doivent chapper l'enfermement par une lame basale. Il est n cessaire lors de la croissance ramifi e normale des structures pith liales telles que les glandes, par exemple, pour permettre la population de cellules pith liales d'augmenter, et galement n cessaire lorsque les globules blancs migrent travers la lame basale d'un vaisseau sanguin dans les tissus en r ponse une infection ou une blessure. La d gradation matricielle est importante la fois pour la propagation des cellules canc reuses dans le corps et pour leur capacit prolif rer dans les tissus qu'elles envahissent (voir le chapitre 20). En g n ral, les composants de la matrice sont d grad s par des enzymes prot olytiques extracellulaires (prot ases) qui agissent proximit des cellules qui les produisent. Beaucoup de ces prot ases appartiennent l'une des deux classes g n rales. Le groupe le plus important, avec environ 50 membres chez les vert br s, est celui des m talloprot ases matricielles, qui d pendent de Ca2+ ou Zn2+ li s pour leur activit . Le deuxi me groupe est celui des prot ases s rine, qui ont une s rine tr s r active dans leur site actif. Ensemble, les m talloprot ases et la s rine Figure 19 54 Exp riences de r g n ration d montrant le caract re particulier de la lame basale jonctionnelle au niveau d'une jonction neuromusculaire. Si un muscle de grenouille et son nerf moteur sont d truits, la lame basale autour de chaque cellule musculaire reste intacte et les sites des anciennes jonctions neuromusculaires sont toujours reconnaissables. Lorsque le nerf, mais pas le muscle, est autoris se r g n rer (en haut droite), la lame basale jonctionnelle dirige le nerf r g n rateur vers le site synaptique d'origine. Lorsque le muscle, mais pas le nerf, est autoris se r g n rer (en bas droite), la lame basal
Biologie moléculaire de la cellule	e jonctionnelle provoque l'accumulation de r cepteurs d'ac tylcholine nouvellement fabriqu s (en bleu) au site synaptique d'origine. Ces exp riences montrent que la lame basale jonctionnelle contr le la localisation des composants synaptiques des deux c t s de la lame. Certaines des mol cules responsables de ces effets ont t identifi es. Les axones des motoneurones, par exemple, d posent de l'agrine dans la lame basale jonctionnelle, o elle r gule l'assemblage des r cepteurs de l'ac tylcholine et d'autres prot ines dans la membrane plasmique jonctionnelle de la cellule musculaire. R ciproquement, les cellules musculaires d posent une isoforme particuli re de laminine dans la lame basale jonctionnelle, et cette mol cule est susceptible d'interagir avec des canaux ioniques sp cifiques sur la membrane pr synaptique du neurone. Les prot ases coop rent pour d grader les prot ines matricielles telles que le collag ne, la laminine et la fibronectine. Certaines m talloprot ases, telles que les collag nases, sont tr s sp cifiques, clivant des prot ines particuli res un petit nombre de sites. De cette fa on, l'int grit structurelle de la matrice est largement conserv e, tandis que la quantit limit e de prot olyse qui se produit est suffisante pour la migration cellulaire. D'autres m talloprot ases peuvent tre moins sp cifiques, mais, parce qu'elles sont ancr es la membrane plasmique, elles peuvent agir exactement l o elles sont n cessaires ; C'est ce type de m talloprot ase matricielle qui est crucial pour la capacit d'une cellule se diviser lorsqu'elle est int gr e dans la matrice. De toute vidence, les activit s des prot ases qui d gradent la matrice doivent tre troitement contr l es, si l'on ne veut pas que le tissu du corps s'effondre en un tas. De nombreux m canismes sont donc utilis s pour s'assurer que les prot ases matricielles ne sont activ es qu'au bon moment et au bon endroit. L'activit de la prot ase est g n ralement confin e la surface de la cellule par des prot ines d'ancrage sp cifiques, par des activateurs associ s la membrane et par la production d'inhibiteurs de prot ase sp cifiques dans les r gions o l'activit de la prot ase n'est pas n cessaire. Les prot oglycanes matriciels et les glycoprot ines r gulent les activit s des prot ines s cr t es Les propri t s physiques de la matrice extracellulaire sont importantes pour son r le fondamental d' chafaudage pour la structure tissulaire et de substrat pour l'ancrage et la migration cellulaires. La matrice a galement une impact sur la signalisation cellulaire. Les cellules communiquent entre elles en s cr tant des mol cules de signal qui se diffusent dans le liquide extracellulaire pour influencer d'autres cellules (voir le chapitre 15). En route vers leurs cibles, les mol cules signal rencontrent le maillage troitement tiss de la matrice extracellulaire, qui contient une forte densit de charges n gatives et de domaines d'interaction prot ique qui peuvent interagir avec les mol cules de signal, modifiant ainsi leur fonction de diverses mani res. Les cha nes de sulfate d'h parane hautement charg es des prot oglycanes, par exemple, interagissent avec de nombreuses mol cules de signal s cr t es, y compris les facteurs de croissance des fibroblastes (FGF) et le facteur de croissance de l'endoth lium vasculaire (VEGF), qui (entre autres effets) stimulent une vari t de types de cellules prolif rer. En fournissant un r seau dense de sites de liaison aux facteurs de croissance, on pense que les prot oglycanes g n rent de grands r servoirs locaux de ces facteurs, limitant leur diffusion et concentrant leurs actions sur les cellules voisines. De m me, les prot oglycanes pourraient aider g n rer des gradients de facteurs de croissance abrupts dans un embryon, ce qui peut tre important dans la structuration des tissus au cours du d veloppement. L'activit du FGF peut galement tre renforc e par les prot oglycanes, qui oligom risent les mol cules du FGF, leur permettant de se r ticuler et d'activer plus efficacement leurs r cepteurs de surface cellulaire. L'importance des prot oglycanes en tant que r gulateurs de la distribution et de l'activit des mol cules signaux est illustr e par les graves d fauts de d veloppement qui peuvent survenir lorsque des prot oglycanes sp cifiques sont inactiv s par mutation. Chez la drosophile, par exemple, la fonction de plusieurs prot ines signaux au cours du d veloppement est r gie par des interactions avec les prot oglycanes associ s la membrane Dally et Dally-like. On pense que ces membres de la famille des glypicans concentrent les prot ines signaux des endroits sp cifiques et agissent comme des cor cepteurs qui collaborent avec les prot ines r ceptrices conventionnelles de la surface des cellules ; En cons quence, ils favorisent la signalisation au bon endroit et l'emp chent aux mauvais endroits. Dans l'ovaire de la drosophile, par exemple, Dally est en partie responsable de la loc
Biologie moléculaire de la cellule	alisation et de la fonction restreintes d'une prot ine de signalisation appel e Dpp, qui bloque la diff renciation des cellules souches germinales : lorsque le g ne codant pour Dally est mut , l'activit de Dpp est fortement r duite et le d veloppement des ovocytes est anormal. Plusieurs prot ines matricielles interagissent galement avec les prot ines signal. Le collag ne de type IV des lames basales interagit avec la Dpp chez la drosophile, par exemple. La fibronectine contient une r p tition de fibronectine de type III qui interagit avec le VEGF, et un autre domaine qui interagit avec un autre facteur de croissance appel facteur de croissance des h patocytes (HGF), favorisant ainsi les activit s de ces facteurs. Comme nous l'avons vu pr c demment, de nombreuses glycoprot ines matricielles contiennent de vastes r seaux de domaines de liaison, et l'arrangement de ces domaines est susceptible d'influencer la pr sentation des prot ines signal leurs cellules cibles (voir Figure 19-46). Enfin, de nombreuses glycoprot ines matricielles contiennent des domaines qui se lient directement des r cepteurs sp cifiques la surface des cellules, g n rant ainsi des signaux qui influencent le comportement des cellules, comme nous le d crivons dans la section suivante. Les cellules sont int gr es dans une matrice extracellulaire complexe, qui non seulement lie les cellules ensemble, mais influence galement leur survie, leur d veloppement, leur forme, leur polarit et leur comportement migratoire. La matrice contient diverses fibres prot iques entrelac es dans un r seau de cha nes de glycosaminoglycanes (GAG). Les GAG sont des cha nes polysaccharidiques charg es n gativement qui ( l'exception de l'hyaluronane) sont li es de mani re covalente des prot ines pour former des mol cules de prot oglycanes. Les GAG attirent l'eau et occupent un grand volume d'espace extracellulaire. Les prot oglycanes se trouvent galement la surface des cellules, o ils fonctionnent souvent comme des cor cepteurs pour aider les cellules r pondre aux prot ines de signal s cr t es. Les prot ines formant des fibres conf rent la matrice force et r silience. Les collag nes fibrillaires (types I, II, III, V et XI) sont des mol cules h lico dales triple brin ressemblant des cordes qui s'agr gent en longues fibrilles dans l'espace extracellulaire, fournissant ainsi une r sistance la traction. Ils forment galement des structures auxquelles les cellules peuvent tre ancr es, souvent via de grandes glycoprot ines multidomaines, telles que la laminine et la fibronectine, qui se lient aux int grines la surface des cellules. L' lasticit est fournie par les mol cules d' lastine, qui forment un vaste r seau r ticul de fibres et de feuilles qui peuvent s' tirer et reculer. La lame basale est une forme sp cialis e de matrice extracellulaire qui sous-tend les cellules pith liales ou qui s'enroule autour de certains autres types de cellules, telles que les cellules musculaires. Les lames basales sont organis es sur un cadre de mol cules de laminine, qui sont reli es entre elles par leurs bras lat raux et se lient aux int grines et autres r cepteurs dans la membrane plasmique basale des cellules pith liales sus-jacentes. Les mol cules de collag ne de type IV, ainsi que la prot ine nidogen et le grand sulfate d'h parane prot oglycane perlecan, s'assemblent en un maillage en forme de feuille qui est un composant essentiel de toutes les lames basales matures. Les lames basales fournissent un support m canique aux pith liums ; ils forment l'interface et l'attachement entre l' pith lium et le tissu conjonctif ; ils servent de filtres dans les reins ; ils agissent comme des barri res pour maintenir les cellules dans leurs compartiments appropri s ; ils influencent la polarit cellulaire et la diff renciation cellulaire ; et ils guident la migration cellulaire au cours du d veloppement et de la r g n ration des tissus. Les cellules fabriquent la matrice extracellulaire, l'organisent et la d gradent. La matrice, son tour, exerce une influence puissante sur les cellules. Les influences sont exerc es principalement par des prot ines d'adh sion cellulaire transmembranaires qui agissent comme des r cepteurs matriciels. Ces prot ines lient la matrice l'ext rieur de la cellule au cytosquelette l'int rieur de celle-ci, mais leur r le va bien au-del de la simple fixation m canique passive. Gr ce eux, les composants de la matrice peuvent affecter presque tous les aspects du comportement d'une cellule. Les r cepteurs matriciels jouent un r le crucial dans les cellules pith liales, m diant leurs interactions avec la lame basale situ e en dessous. Ils ne sont pas moins importants dans les cellules du tissu conjonctif, car ils interviennent dans les interactions des cellules avec la matrice qui les entoure. Plusieurs types de mol cules peuvent fonctionner comme des r cepteurs matriciels ou des co-r cepteurs, y compris les prot oglycanes trans
Biologie moléculaire de la cellule	membranaires. Mais les int grines sont les int grines et les principaux r cepteurs sur les cellules animales pour se lier la plupart des prot ines de la matrice extracellulaire. Comme les cadh rines et les composants cl s de la lame basale, les int grines font partie de la bo te outils architecturale fondamentale caract ristique des animaux multicellulaires. Les membres de cette grande famille de mol cules d'adh sion transmembranaires homologues ont une capacit remarquable transmettre des signaux dans les deux sens travers la membrane plasmique. La liaison d'un composant de la matrice une int grine peut envoyer un message l'int rieur de la cellule, et les conditions l'int rieur de la cellule peuvent envoyer un signal vers l'ext rieur pour contr ler la liaison de l'int grine la matrice. La tension appliqu e une int grine peut l'amener resserrer son emprise sur les structures intracellulaires et extracellulaires, et la perte de tension peut desserrer son emprise, de sorte que les complexes de signalisation mol culaire se d sagr gent de chaque c t de la membrane. De cette fa on, les int grines peuvent servir non seulement transmettre des signaux m caniques et mol culaires, mais aussi convertir un type de signal en un autre. Les int grines sont des h t rodim res transmembranaires qui lient la matrice extracellulaire au cytosquelette Il existe de nombreuses vari t s d'int grines, mais elles se conforment toutes un plan commun. Une mol cule d'int grine est compos e de deux sous-unit s de glycoprot ine associ es de mani re non covalente appel es et . Les deux sous-unit s s' tendent sur la membrane cellulaire, avec de courtes queues C-terminales intracellulaires et de grands domaines extracellulaires N-terminaux (Figure 19-55). Les domaines extracellulaires se lient des motifs sp cifiques de s quence d'acides amin s dans les prot ines de la matrice extracellulaire ou, dans certains cas, dans les prot ines la surface d'autres cellules. Le site de liaison le mieux compris pour les int grines est la s quence RGD mentionn e pr c demment (voir Figure 19-47), que l'on trouve dans la fibronectine et d'autres prot ines de la matrice extracellulaire. Certaines int grines se lient une s quence Leu-Asp-Val (LDV) dans la fibronectine et d'autres prot ines. Des s quences suppl mentaires de liaison l'int grine, encore mal d finies, existent dans les laminines et les collag nes. Les humains contiennent 24 types d'int grines, form es partir des produits de 8 g nes de la cha ne diff rents et de 18 g nes de la cha ne diff rents, dim ris s dans diff rentes combinaisons. Chaque dim re d'int grine a des propri t s et des fonctions distinctes. De plus, tant donn que la m me mol cule d'int grine dans diff rents types de cellules peut avoir des sp cificit s de liaison de ligand diff rentes, il semble que des facteurs suppl mentaires sp cifiques au type de cellule puissent interagir avec les int grines pour moduler leur activit de liaison. La liaison des int grines leurs ligands matriciels est galement affect e par la concentration de Ca2+ et Mg2+ dans le milieu extracellulaire, refl tant la pr sence de domaines de liaison cationique divalents dans les sous-unit s et . Les cations divalents peuvent influencer la fois l'affinit et la sp cificit de la liaison d'une int grine ses ligands extracellulaires. La partie intracellulaire d'un dim re d'int grine se lie un complexe de plusieurs prot ines diff rentes, qui forment ensemble une liaison avec le cytosquelette. Pour toutes les 24 vari t s d'int grines humaines sauf une, cette liaison intracellulaire est li e aux filaments d'actine. Ces liaisons d pendent de prot ines qui s'assemblent court terme. queues cytoplasmiques des sous-unit s de l'int grine (voir Figure 19 55). Une grande prot ine adaptatrice appel e taline est un composant de la liaison dans de nombreux cas, mais de nombreuses prot ines suppl mentaires sont galement impliqu es. l'instar des jonctions cellule-cellule li es l'actine form es par les cadh rines, les jonctions cellule-matrice li es l'actine form es par les int grines peuvent tre petites, discr tes et transitoires, ou grandes, pro minentes et durables. Des exemples de ces derniers sont les adh rences focales qui se forment lorsque les fibroblastes ont suffisamment de temps pour tablir des attaches fortes la surface rigide d'une bo te de culture, et les jonctions myotendineuses qui attachent les cellules musculaires leurs tendons. Figure 19 55 Structure sous-unitaire d'une mol cule d'int grine active, reliant la matrice extracellulaire au cytosquelette d'actine. les t tes N-terminales des cha nes d'int grine se fixent directement une prot ine extracellulaire telle que la fibronectine ; la queue intracellulaire C-terminale de la sous-unit de d'int grine se lie aux prot ines adaptatrices qui interagissent avec l'actine filamenteuse. L'adaptateur le mieux compris est une prot ine g ante a
Biologie moléculaire de la cellule	ppel e taline, qui contient une cha ne de plusieurs domaines pour lier l'actine et d'autres prot ines, telles que la vinculine, qui aident renforcer et r guler la liaison aux filaments d'actine. Une extr mit de la taline se lie un site sp cifique sur la queue cytoplasmique de la sous-unit de l'int grine ; D'autres prot ines r gulatrices, telles que le kindlin, se lient un autre site de la queue. Dans les pith liums, les sites d'attache cellule-matrice les plus importants sont les h midesmosomes, o un type sp cifique d'int grine ancre les cellules la laminine dans la lame basale. Ici, de mani re unique, l'attachement intracellulaire se fait aux filaments interm diaires de la k ratine, via les prot ines adaptatrices intracellulaires plectine et BP230 (Figure 19-56). Les d fauts d'int grine sont responsables de nombreuses maladies g n tiques Bien qu'il y ait un certain chevauchement dans les activit s des diff rentes int grines au moins cinq se lient la laminine, par exemple c'est la diversit des fonctions de l'int grine qui est la plus remarquable. Le tableau 19 3 num re certaines vari t s d'int grines et les probl mes qui surviennent lorsque les cha nes individuelles de l'int grine or sont d fectueuses. La sous-unit 1 forme des dim res avec au moins 12 sous-unit s distinctes et se trouve sur presque toutes les cellules de vert br s : 5 1 est un r cepteur de la fibronectine et 6 1 est une laminine Figure 19 56 H midesmosomes. (a) Les h midesmosomes soudent par points les cellules pith liales la lame basale, reliant la laminine l'ext rieur de la cellule aux filaments de k ratine l'int rieur de celle-ci. (B) Composants mol culaires d'un h midesmosome. une int grine sp cialis e (int grine 6 4) traverse la membrane, se fixant aux filaments de k ratine par voie intracellulaire via des prot ines adaptatrices appel es plectine et Bp230, et la laminine de mani re extracellulaire. le complexe adh sif contient galement, parall lement l'int grine, un membre inhabituel de la famille du collag ne connu sous le nom de collag ne de type XVII ; Celui-ci a un domaine couvrant la membrane attach sa partie collag ne extracellulaire. Des d fauts dans l'un de ces composants peuvent donner lieu une maladie v siculeuse de la peau. L'une de ces maladies, appel e pemphigo de bulleuse, est une maladie auto-immune dans laquelle le syst me immunitaire d veloppe des anticorps contre le collag ne XVII ou Bp230. r cepteur sur de nombreux types de cellules. Les souris mutantes qui ne peuvent pas produire d'int grines 1 meurent au d but du d veloppement embryonnaire. Les souris qui ne sont pas capables de fabriquer la sous-unit 7 (le partenaire de 1 dans le muscle) survivent mais d veloppent une dystrophie musculaire (tout comme les souris qui ne peuvent pas fabriquer le ligand de laminine pour l'int grine 7 1). La sous-unit 2 forme des dim res avec au moins quatre types de sous-unit et s'exprime exclusivement la surface des globules blancs, o elle joue un r le essentiel pour permettre ces cellules de lutter contre les infections. Les int grines 2 m dient principalement les interactions cellule-cellule plut t que cellule-matrice, se liant des ligands sp cifiques sur une autre cellule, telle qu'une cellule endoth liale. Les ligands sont membres de la superfamille Ig des mol cules d'adh sion cellule-cellule. Nous avons d j d crit un exemple plus haut dans le chapitre : une int grine de cette classe ( L 2, galement connue sous le nom de LFA1) sur les globules blancs leur permet de se fixer fermement sur la prot ine de la famille des Ig ICAM1 sur les cellules endoth liales vasculaires aux sites d'infection (voir Figure 19 28B). Les personnes atteintes de la maladie g n tique appel e d ficit d'adh sion des leucocytes ne parviennent pas synth tiser des sous-unit s 2 fonctionnelles. En cons quence, leurs globules blancs sont d pourvus de toute la famille des r cepteurs 2 et ils souffrent d'infections bact riennes r p t es. Les int grines 3 se trouvent sur les plaquettes sanguines (ainsi que sur diverses autres cellules) et elles se lient plusieurs prot ines matricielles, y compris le facteur de coagulation sanguine fibrinog ne. Les plaquettes doivent interagir avec le fibrinog ne pour favoriser une coagulation sanguine normale, et les humains atteints de la maladie de Glanzmann, qui sont g n tiquement d ficients en int grines 3, souffrent d'une coagulation d fectueuse et saignent excessivement. Une cellule qui rampe dans un tissu un fibroblaste ou un macrophage, par exemple, ou une cellule pith liale qui migre le long d'une lame basale doit tre capable la fois de faire et de rompre des attaches la matrice, et de le faire rapidement si elle doit se d placer rapidement. De m me, un globule blanc circulant doit tre capable d'activer ou de d sactiver sa tendance se lier aux cellules endoth liales afin de sortir d'un vaisseau sanguin sur un site d'infl
Biologie moléculaire de la cellule	ammation. De plus, si la force doit tre appliqu e l o elle est n cessaire, la formation et la rupture des attaches extracellulaires dans tous ces cas doivent tre coupl es l'assemblage et au d sassemblage rapides des attaches cytosquelettiques l'int rieur de la cellule. Les mol cules d'int grine qui traversent la membrane et m dient les attaches ne peuvent pas simplement tre des objets passifs et rigides avec des taches collantes leurs deux extr mit s. Ils doivent tre capables de basculer entre un tat actif, o ils forment facilement des attachements, et un tat inactif, o ils ne le font pas. Des tudes structurales, utilisant une combinaison de microscopie lectronique et de cristallographie aux rayons X, sugg rent que les int grines existent dans de multiples conformations structurelles qui refl tent diff rents tats d'activit (Figure 19-57). l' tat inactif, les segments externes du dim re d'int grine sont repli s ensemble dans une structure compacte qui ne peut pas lier les prot ines matricielles. Dans cet tat, les queues cytoplasmiques du dim re sont Figure 19 57 Les int grines existent dans deux tats d'activit principaux. Structures inactives (repli es) et actives ( tendues) d'une mol cule d'int grine, bas es sur des donn es de cristallographie aux rayons X et d'autres m thodes. Figure 19 58 Activation des int grines par la signalisation intracellulaire. Les signaux re us de l'ext rieur de la cellule peuvent agir par le biais de divers m canismes intracellulaires pour stimuler l'activation de l'int grine. Dans les plaquettes, comme illustr ici, la prot ine de signal extracellulaire thrombine active un r cepteur coupl aux prot ines G la surface de la cellule, initiant ainsi une voie de signalisation qui conduit l'activation de rap1, un membre de la famille monom re des Gtpase. rap1 activ e interagit avec la prot ine rIaM, qui recrute ensuite la taline dans la membrane plasmique. Avec une autre prot ine appel e Kindlin, la taline interagit avec la cha ne de l'int grine pour d clencher l'activation de l'int grine. La taline interagit ensuite avec des prot ines adaptatrices telles que la vinculine, ce qui entra ne la formation d'une liaison d'actine (voir Figure 19-55). La r gulation de la taline d pend en partie d'une interaction entre son domaine de tige C-terminal flexible et le domaine de la t te N-terminal qui contient le site de liaison l'int grine. On pense que cette interaction maintient le talin dans un tat inactif lorsqu'il est libre dans le cytoplasme. Lorsque la taline est recrut e par rIaM dans la membrane plasmique, le domaine de la t te du talin interagit avec un phosphoinositide appel pI(4,5)p2 (non illustr ici, mais voir la figure 15-28), ce qui entra ne une dissociation du domaine des b tonnets. La taline se d plie pour exposer ses sites de liaison l'int grine et d'autres prot ines. accroch s ensemble, emp chant leur interaction avec les prot ines de liaison du cytosquelette. l' tat actif, les deux sous-unit s d'int grine sont d croch es au niveau de la membrane pour exposer les sites de liaison intracellulaires des prot ines adaptatrices cytoplasmiques, et les domaines externes se d ploient et s' tendent, comme une paire de pattes, pour exposer un site de liaison matricielle de haute affinit aux extr mit s des sous-unit s. Ainsi, le passage de l' tat inactif l' tat actif d pend d'un changement conformationnel majeur qui expose simultan ment les sites de liaison du ligand externe et interne aux extr mit s de la mol cule d'int grine. La liaison de la matrice externe et les liaisons du cytosquelette interne sont ainsi coupl es. Le basculement entre les tats inactif et actif est r gul par une vari t de m canismes qui varient, en fonction des besoins de la cellule. Dans certains cas, l'activation se produit par un m canisme ext rieur-int rieur : la liaison d'une prot ine matricielle externe, telle que la s quence RGD de la fibronectine, peut conduire certaines int grines passer de l' tat inactif de faible affinit l' tat actif de haute affinit . En cons quence, les sites de liaison de la taline et d'autres prot ines adaptatrices cytoplasmiques sont expos s la queue de la cha ne . La liaison de ces prot ines adaptatrices conduit ensuite la fixation de filaments d'actine l'extr mit intracellulaire de la mol cule d'int grine (voir Figure 19 55). De cette fa on, lorsque l'int grine s'accroche son ligand l'ext rieur de la cellule, la cellule r agit en liant la mol cule d'int grine au cytosquelette, de sorte que la force peut tre appliqu e au point d'attache de la cellule. La cha ne de cause effet peut galement fonctionner l'envers, de l'int rieur vers l'ext rieur. Ce processus d'activation de l'int grine d pend g n ralement de signaux r gulateurs intracellulaires qui stimulent la capacit de la taline et d'autres prot ines interagir avec la cha ne de l'int grine. Talin est en concurrence avec la cha ne d'int grine
Biologie moléculaire de la cellule	pour son site de liaison sur la queue de la cha ne . Ainsi, lorsque la taline se lie la cha ne , elle bloque la liaison intracellulaire - , permettant aux deux pattes de la mol cule d'int grine de se s parer. La r gulation de l'activation de l'int grine de l'int rieur vers l'ext rieur est particuli rement bien comprise dans les plaquettes, o une prot ine signal extracellulaire appel e thrombine se lie un r cepteur sp cifique coupl aux prot ines G (RCPG) la surface de la cellule et active ainsi une voie de signalisation intracellulaire qui conduit l'activation de l'int grine (Figure 19 58). Il est probable que des voies de signalisation similaires r gissent l'activation de l'int grine dans de nombreux autres types de cellules. Les int grines se regroupent pour former de fortes adh rences Les int grines, comme d'autres mol cules d'adh sion cellulaire, diff rent des r cepteurs de surface cellulaire pour les hormones et pour d'autres mol cules de signal solubles extracellulaires en ce qu'elles lient g n ralement leur ligand avec une affinit plus faible et sont pr sentes une concentration 10 100 fois plus lev e la surface cellulaire. Le principe du velcro, mentionn pr c demment dans le contexte de l'adh sion de la cadh rine (voir figure 19-6C), s'applique ici aussi. Suite leur activation, les int grines se regroupent pour cr er une plaque dense dans laquelle de nombreuses mol cules d'int grine sont ancr es aux filaments du cytosquelette. La structure prot ique r sultante peut tre remarquablement grande et complexe, comme le montre l'adh sion focale r alis e par un fibroblaste sur une bo te de culture de surface recouverte de fibronectine. L'assemblage de complexes jonctionnels cellule-matrice matures d pend du recrutement de dizaines de prot ines d' chafaudage et de signalisation diff rentes. La taline est un composant majeur de nombreux complexes cellule-matrice, mais de nombreuses autres prot ines apportent galement des contributions importantes. Il s'agit notamment de la kinase li e l'int grine (ILK) et de ses partenaires de liaison pinch et parvin, qui forment ensemble un complexe trim rique qui sert de plaque tournante d'organisation de nombreux carrefours. Les jonctions cellule-matrice utilisent galement plusieurs prot ines de liaison l'actine, telles que la vinculine, la zyxine, le VASP et la -actinine, pour favoriser l'assemblage et l'organisation des filaments d'actine. Un autre composant essentiel de nombreuses jonctions cellule-matrice est la kinase d'adh sion focale (FAK), qui interagit avec plusieurs composants de la jonction et remplit une fonction importante dans la signalisation, comme nous le d crivons ci-dessous. Les attaches de la matrice extracellulaire agissent par l'interm diaire des int grines pour contr ler la prolif ration cellulaire et la survie Comme d'autres prot ines d'adh sion cellulaire transmembranaire, les int grines font plus que simplement cr er des attachements. Ils activent galement les voies de signalisation intracellulaires et permettent ainsi de contr ler presque tous les aspects du comportement de la cellule en fonction de la nature de la matrice environnante et de l' tat des attaches de la cellule celle-ci. De nombreuses cellules ne se d velopperont pas ou ne prolif reront pas en culture moins qu'elles ne soient attach es une matrice extracellulaire ; Les nutriments et les facteurs de croissance solubles dans le milieu de culture ne suffisent pas. Pour certains types de cellules, y compris les cellules pith liales, endoth liales et musculaires, m me la survie cellulaire d pend de ces attachements. Lorsque ces cellules perdent le contact avec la matrice extracellulaire, elles subissent une apoptose. Cette d pendance de la croissance, de la prolif ration et de la survie cellulaires l' gard de l'attachement un substrat est connue sous le nom de d pendance l'ancrage, et elle est m di e principalement par les int grines et les signaux intracellulaires qu'elles g n rent. Mutations perturbatrices ou Outrepasser cette forme de contr le, permettant aux cellules d' chapper la d pendance l'ancrage, se produisent dans les cellules canc reuses et jouent un r le majeur dans leur comportement invasif. Notre compr hension de la d pendance l'ancrage provient principalement d' tudes de cellules vivant la surface de bo tes de culture recouvertes de matrice. Pour les cellules du tissu conjonctif qui sont normalement entour es de matrice de tous les c t s, c'est loin de l'environnement naturel. Marcher dans une plaine bidimensionnelle est tr s diff rent de grimper dans une jungle tridimensionnelle. Les types de contacts que les cellules tablissent avec un substrat rigide ne sont pas les m mes que ceux, beaucoup moins bien tudi s, qu'elles tablissent avec le r seau d formable de fibres de la matrice extracellulaire, et il existe des diff rences substantielles dans le comportement cellulaire dans les deux contextes. N anmo
Biologie moléculaire de la cellule	ins, il est probable que les m mes principes de base s'appliquent. Tant in vitro qu'in vivo, les signaux intracellulaires g n r s aux sites d'adh sion cellule-matrice sont cruciaux pour la prolif ration cellulaire et la survie. Les int grines recrutent des prot ines de signalisation intracellulaire aux sites d'adh sion cellule-matrice Les m canismes par lesquels les int grines signalent l'int rieur des cellules sont complexes, impliquant plusieurs voies, et les int grines et les r cepteurs de signalisation conventionnels s'influencent souvent les unes les autres et travaillent ensemble pour r guler le comportement cellulaire, comme nous l'avons d j soulign . La voie kinase Ras/MAP (voir Figure 15 49), pour Figure 19 59 Phosphorylation de la tyrosine aux adh rences focales. Fibroblaste cultiv sur un substrat enrob de fibronectine et color avec des anticorps fluorescents : les filaments d'actine sont color s en vert et les prot ines activ es qui contiennent de la phosphotyrosine sont rouges, donnant de l'orange l o les deux composants se chevauchent. Les filaments d'actine se terminent par des adh rences focales, o la cellule se fixe au substrat au moyen d'int grines. les prot ines contenant de la phosphotyrosine sont galement concentr es ces sites, refl tant l'activation locale de FaK et d'autres prot ines kinases. Les signaux g n r s sur ces sites d'adh sion aident r guler la division cellulaire, la croissance et la survie. (Avec l'aimable autorisation de Keith Burridge.) Par exemple, peuvent tre activ s la fois par des r cepteurs de signalisation conventionnels et par des int grines, mais les cellules ont souvent besoin des deux types de stimulation de cette voie en m me temps pour donner une activation suffisante pour induire la prolif ration cellulaire. Les int grines et les r cepteurs de signalisation conventionnels coop rent galement pour favoriser la survie cellulaire (voir les chapitres 15 et 18). L'un des modes de signalisation de l'int grine les mieux tudi s d pend d'une prot ine tyrosine kinase cytoplasmique appel e kinase d'adh sion focale (FAK). Dans les tudes sur des cellules cultiv es sur des bo tes en plastique, les adh rences focales sont souvent des sites pro minents de phosphorylation de la tyrosine (Figure 19-59), et FAK est l'une des principales prot ines phosphoryl es de la tyrosine trouv es sur ces sites. Lorsque les int grines se regroupent au contact de la matrice cellulaire, FAK est recrut e dans la sous-unit de l'int grine par des prot ines adaptatrices intracellulaires telles que la taline ou la paxilline (qui se lie un type de sous-unit d'int grine). Les mol cules FAK group es se phosphorylent mutuellement sur une tyrosine sp cifique, cr ant un site d'amarrage de la phosphotyrosine pour les membres de la famille Src de tyrosine kinases cytoplasmiques. En plus de phosphoryler d'autres prot ines aux sites d'adh sion, ces kinases phosphorylent ensuite FAK sur des tyrosines suppl mentaires, cr ant ainsi des sites d'amarrage pour une vari t de prot ines de signalisation intracellulaire suppl mentaires. De cette fa on, la signalisation de l'ext rieur vers l'int rieur des int grines, via les kinases de la famille FAK et Src, est relay e dans la cellule de la m me mani re que les r cepteurs tyrosine kinases g n rent des signaux (comme discut au chapitre 15). Les adh rences cellule-matrice r agissent aux forces m caniques Comme les jonctions cellule-cellule que nous avons d crites pr c demment, les jonctions cellule-matrice peuvent d tecter et r pondre aux forces m caniques qui agissent sur elles. La plupart des jonctions cellule-matrice, par exemple, sont connect es un r seau d'actine contractile qui a tendance tirer les jonctions vers l'int rieur, loin de la matrice. Lorsque les cellules sont attach es une matrice rigide qui r siste fortement de telles forces de traction, la jonction cellule-matrice est capable de d tecter la haute tension qui en r sulte et de d clencher une r ponse dans laquelle elle recrute des int grines suppl mentaires et d'autres prot ines pour augmenter la capacit de la jonction r sister cette tension. L'attachement des cellules une matrice relativement molle g n re moins de tension et donc une r ponse moins robuste. Ces m canismes permettent aux cellules de d tecter et r pondre aux diff rences de rigidit des matrices extracellulaires dans diff rents tissus. Nous avons vu pr c demment que la m canotransduction aux jonctions cellule-cellule base de cadh rine d pend probablement des prot ines jonctionnelles qui changent de structure lorsque la jonction est tir e par la tension (voir Figure 19-12). Il en va de m me pour les jonctions cellule-matrice. Le domaine de la longue queue C-terminale de la taline, par exemple, comprend un grand nombre de sites de liaison pour la prot ine r gulatrice d'actine vinculine. Beaucoup de ces sites sont cach s l'int rieur de domaines prot iques repli s, mais sont expos s lors
Biologie moléculaire de la cellule	que ces h lices de taline repli es 1 12 vinculine lorsque la taline se d plie, l'h lice 12 est expos e et peut se lier aux domaines de vinculine sont d pli s en tirant la prot ine (Figure 19-60). L'extr mit N-terminale du talin se lie l'int grine et l'extr mit C-terminale se lie l'actine (voir Figure 19-55) ; Ainsi, lorsque les filaments d'actine sont tir s par des moteurs de myosine l'int rieur de la cellule, la tension r sultante tire la tige de taline, exposant ainsi les sites de liaison la vinculine. Les mol cules de vinculine recrutent et organisent ensuite des filaments d'actine suppl mentaires. La tension augmente ainsi la force de la jonction. Les int grines sont les principaux r cepteurs de surface cellulaire utilis s par les cellules animales pour se lier la matrice extracellulaire : elles fonctionnent comme des liaisons transmembranaires entre la matrice extracellulaire et le cytosquelette. La plupart des int grines se connectent aux filaments d'actine, tandis que celles des h midesmosomes se lient aux filaments interm diaires. Les mol cules d'int grine sont des h t rodim res, et la liaison de ligands de matrice extracellulaire ou de prot ines activatrices intracellulaires telles que la taline entra ne un changement conformationnel spectaculaire d'un tat inactif un tat actif. Cela cr e un couplage allost rique entre la liaison la matrice l'ext rieur de la cellule et la liaison au cytosquelette l'int rieur de celle-ci, permettant l'int grine de transmettre des signaux dans les deux sens travers la membrane plasmique. Des assemblages complexes de prot ines s'organisent autour des queues intracellulaires des int grines activ es, produisant des signaux intracellulaires qui peuvent influencer presque tous les aspects du comportement cellulaire, de la prolif ration et de la survie, comme dans le ph nom ne de d pendance l'ancrage, la polarit cellulaire et au guidage de la migration. Les jonctions cellule-matrice base d'int grine sont galement capables de m canotransduction : elles peuvent d tecter et r pondre aux forces m caniques agissant travers la jonction. Chaque cellule d'une plante d pose, et est son tour compl tement enferm e par, une matrice extracellulaire labor e appel e paroi cellulaire v g tale. Ce sont les paisses parois cellulaires du li ge, visibles au microscope primitif, qui ont permis Robert Hooke en 1663 de distinguer et de nommer les cellules pour la premi re fois. Les parois des cellules v g tales voisines, ciment es Figure 19 60 Talin est un capteur de tension aux jonctions cellule-matrice. La tension entre les jonctions cellule-matrice stimule le recrutement local de la vinculine et d'autres prot ines r gulatrices de l'actine, renfor ant ainsi l'attachement de la jonction au cytosquelette. les exp riences pr sent es ici ont test l'hypoth se selon laquelle la tension est d tect e par la prot ine adaptatrice de taline qui relie les int grines aux filaments d'actine (voir Figure 19-55). (a) la r gion C-terminale, longue et flexible de la taline est divis e en une s rie de domaines pliss s, dont certains contiennent des sites de liaison la vinculine (lignes vert fonc ) que l'on pense cach s et donc inaccessibles. Un domaine pr s de l'extr mit N, par exemple, comprend un faisceau pli de 12 h lices contenant cinq sites de liaison la vinculine. (B) cette exp rience a test l'hypoth se selon laquelle la tension tire le domaine 12 h lices, exposant ainsi les sites de liaison la vinculine. Un fragment de talin contenant ce domaine tait attach un appareil dans lequel le domaine pouvait tre tir , comme le montre ici. le fragment a t marqu son extr mit N- avec une tiquette qui se colle la surface d'une lame de verre sur une platine de microscope. l'extr mit C-terminale du fragment tait li e une minuscule perle magn tique, de sorte que le fragment de talin pouvait tre tir l'aide d'une petite lectrode magn tique. La solution autour de la prot ine contenait des prot ines de vinculine marqu es par fluorescence. Apr s l' tirement de la prot ine de taline, l'exc s de solution de vinculine a t emport et le microscope a t utilis pour d terminer si des prot ines de vinculine fluorescentes taient li es la prot ine de taline. En l'absence d' tirement (en haut), la plupart des mol cules de talin ne se sont pas li es la vinculine. Lorsque la prot ine a t tir e (en bas), deux ou trois mol cules de vinculine ont t li es (une seule est montr e ici pour plus de clart ). (Adapt de A. Del Rio et al., Science 323:638-641, 2009.) ensemble pour former la plante intacte (Figure 19-61), sont g n ralement plus pais, plus forts et, surtout, plus rigides que la matrice extracellulaire produite par les cellules animales. En d veloppant des parois relativement rigides, qui peuvent atteindre plusieurs microm tres d' paisseur, les premi res cellules v g tales ont perdu la capacit de ramper et ont adopt un mode de vie
Biologie moléculaire de la cellule	s dentaire qui a persist chez toutes les plantes actuelles. la composition de la paroi cellulaire d pend du type de cellule Toutes les parois cellulaires des plantes ont leur origine dans la division des cellules, car la plaque cellulaire se forme pendant la cytokin se pour cr er une nouvelle paroi de s paration entre les cellules filles (discut e au chapitre 17). Les nouvelles cellules sont g n ralement produites dans des r gions sp ciales appel es m rist mes, et elles sont g n ralement petites par rapport leur taille finale. Pour s'adapter la croissance cellulaire ult rieure, les parois des cellules n onatales, appel es parois cellulaires primaires, sont minces et extensibles, bien que r sistantes. Une fois que la croissance cellulaire s'arr te, la paroi n'a plus besoin d' tre extensible : parfois, la paroi primaire est conserv e sans modification majeure, mais, le plus souvent, une paroi cellulaire secondaire rigide est produite en d posant de nouvelles couches de matrice l'int rieur des anciennes. Ces nouvelles couches ont g n ralement une composition sensiblement diff rente de celle de la paroi primaire. Le polym re suppl mentaire le plus courant dans les parois secondaires est la lignine, un r seau complexe de compos s ph noliques li s de mani re covalente que l'on trouve dans les parois des vaisseaux du xyl me et les cellules fibreuses des tissus ligneux. Bien que les parois cellulaires des plantes sup rieures varient la fois dans leur composition et leur organisation, elles sont toutes construites, comme des matrices extracellulaires animales, en utilisant un principe structurel commun tous les composites de fibres, y compris la fibre de verre et le b ton arm . Un composant offre une r sistance la traction, tandis qu'un autre, dans lequel le premier est int gr , offre une r sistance la compression. Si le principe est le m me chez les plantes et les animaux, la chimie est diff rente. Contrairement la Figure 19 61 Parois cellulaires v g tales. (a) Micrographie lectronique de l'extr mit de la racine d'un jonc, montrant le motif organis des cellules qui r sulte d'une s quence ordonn e de divisions cellulaires dans des cellules parois cellulaires relativement rigides. Dans ce tissu en croissance, les parois cellulaires sont encore relativement minces, apparaissant sous forme de fines lignes noires entre les cellules de la micrographie. (B) Coupe d'une paroi cellulaire typique s parant deux cellules v g tales adjacentes. les deux bandes transversales sombres correspondent des plasmodesmes qui enjambent la paroi (voir figures 19 27). (a, avec l'aimable autorisation de C. Busby et B. Gunning, Eur. J. Cell Biol. 21:214-223, 1980. Avec l'autorisation d'Elsevier ; B, avec l'aimable autorisation de Jeremy Burgess.) Matrice extracellulaire animale, riche en prot ines et autres polym res contenant de l'azote, la paroi cellulaire v g tale est presque enti rement compos e de polym res qui ne contiennent pas d'azote, y compris la cellulose et la lignine. Pour un organisme s dentaire qui d pend du CO2, de l'H2O et de la lumi re du soleil, ces deux biopolym res abondants repr sentent des mat riaux structurels base de carbone bon march , aidant conserver l'azote fixe rare disponible dans le sol qui limite g n ralement la croissance des plantes. Ainsi, les arbres, par exemple, investissent massivement dans la cellulose et la lignine qui constituent la majeure partie de leur biomasse. Dans les parois cellulaires des plantes sup rieures, les fibres tendues sont fabriqu es partir de la cellulose polysaccharidique, la macromol cule organique la plus abondante sur Terre, troitement li e en un r seau par des glycanes r ticul s. Dans les parois cellulaires primaires, la matrice dans laquelle le r seau de cellulose r ticul est int gr est compos e de pectine, un r seau hautement hydrat de polysaccharides riches en acide galacturonique. Les parois cellulaires secondaires contiennent des mol cules suppl mentaires pour les rendre rigides et permanentes ; La lignine, en particulier, forme une charge dure et imperm able dans les interstices entre les autres composants. Toutes ces mol cules sont maintenues ensemble par une combinaison de liaisons covalentes et non covalentes pour former une structure tr s complexe, dont la composition, l' paisseur et l'architecture d pendent du type de cellule. La paroi cellulaire v g tale a donc un r le squelettique dans le soutien de la structure de la plante dans son ensemble, un r le protecteur en tant qu'enceinte pour chaque cellule individuellement, et un r le de transport, aidant former des canaux pour le mouvement du fluide dans la plante. Lorsque les cellules v g tales se sp cialisent, elles adoptent g n ralement une forme sp cifique et produisent des types de parois sp cialement adapt s, selon lesquels les diff rents types de cellules d'une plante peuvent tre reconnus et class s. Nous nous concentrons ici, cependant, sur la paroi cellulair
Biologie moléculaire de la cellule	e primaire et l'architecture mol culaire qui sous-tend sa remarquable combinaison de force, de r silience et de plasticit , comme on le voit dans les parties en croissance d'une plante. la r sistance la traction de la paroi cellulaire permet aux cellules v g tales de d velopper une pression de turgescence L'environnement extracellulaire aqueux d'une cellule v g tale est constitu du liquide contenu dans les parois qui entourent la cellule. Bien que le liquide de la paroi cellulaire de la plante contienne plus de solut s que l'eau du milieu externe de la plante (par exemple, le sol), il est toujours hypotonique par rapport l'int rieur de la cellule. Ce d s quilibre osmotique am ne la cellule d velopper une grande pression hydrostatique interne, ou pression de turgescence, qui pousse vers l'ext rieur sur la paroi cellulaire, tout comme une chambre air pousse vers l'ext rieur sur un pneu. La pression de turgescence augmente jusqu'au point o la cellule est en quilibre osmotique, sans afflux net d'eau malgr le d s quilibre salin. La pression de turgescence g n r e de cette mani re peut atteindre 10 atmosph res ou plus, soit environ cinq fois celle d'un pneu de voiture moyen. Cette pression est vitale pour les plantes car c'est la principale force motrice de l'expansion cellulaire pendant la croissance, et elle fournit une grande partie de la rigidit m canique des tissus v g taux vivants. Comparez la feuille fan e d'une plante d shydrat e, par exemple, avec la feuille turgescente d'une plante bien arros e. C'est la r sistance m canique de la paroi cellulaire qui permet aux cellules v g tales de maintenir cette pression interne. la paroi cellulaire primaire est construite partir de microfibrilles de cellulose entrelac es avec un r seau de polysaccharides pectiques La cellulose conf re la paroi cellulaire primaire une r sistance la traction. Chaque mol cule de cellulose est constitu e d'une cha ne lin aire d'au moins 500 r sidus de glucose qui sont li s les uns aux autres de mani re covalente pour former une structure en forme de ruban, qui est stabilis e par des liaisons hydrog ne au sein de la cha ne (Figure 19 62). De plus, les liaisons hydrog ne entre les mol cules de cellulose adjacentes les font se coller ensemble en r seaux parall les qui se chevauchent, formant des faisceaux d'environ 40 cha nes de cellulose, qui ont toutes la m me polarit . Ces agr gats cristallins tr s ordonn s, de plusieurs microm tres de long, sont appel s microfibrilles de cellulose, et ils ont une r sistance la traction comparable celle de l'acier. Des ensembles de microfibrilles sont dispos s en couches, ou lamelles, chaque microfibrille se trouvant environ 20 40 nm de ses voisines et reli e eux par une longue r ticulation Figure 19 62 Cellulose. Les mol cules de cellulose sont de longues cha nes non ramifi es d'unit s de glucose li es la 1,4. Chaque r sidu de glucose est invers par rapport ses voisins, et la r p tition disaccharide qui en r sulte se produit des centaines de fois dans une seule mol cule de cellulose. Environ 16 mol cules de cellulose individuelles s'assemblent pour former une microfibrille de cellulose solide et li e l'hydrog ne. mol cules de glycane, qui sont attach es par des liaisons hydrog ne la surface des microfibrilles. La paroi cellulaire primaire est constitu e de plusieurs lamelles dispos es dans un r seau semblable du contreplaqu (Figure 19-63). Les glycanes de r ticulation sont un groupe h t rog ne de polysaccharides ramifi s qui se lient troitement la surface de chaque microfibrille de cellulose et aident ainsi r ticuler les microfibrilles en un r seau complexe. Il existe de nombreuses classes de glycanes r ticulants, mais ils ont tous un long squelette lin aire compos d'un type de sucre (glucose, xylose ou mannose) d'o d passent de courtes cha nes lat rales d'autres sucres. Ce sont les mol cules de sucre de l' pine dorsale qui forment des liaisons hydrog ne avec la surface des microfibrilles de cellulose, les r ticulant dans le processus. L' pine dorsale et les sucres cha ne lat rale varient selon l'esp ce v g tale et son stade de d veloppement. Coextensif ce r seau de microfibrilles de cellulose et de glycanes de r ticulation, il existe un autre r seau de polysaccharides r ticul s base de pectines (voir Figure 19-63). Les pectines sont un groupe h t rog ne de polysaccharides ramifi s qui contiennent de nombreuses unit s d'acide galacturonique charg es n gativement. En raison de leur charge n gative, les pectines sont tr s hydrat es et associ es un nuage de cations, ressemblant aux glycosaminoglycanes des cellules animales dans la grande quantit d'espace qu'elles occupent (voir Figure 19 33). Lorsque le Ca2+ est ajout une solution de mol cules de pectine, il les r ticule pour produire un gel semi-rigide (c'est la pectine qui est ajout e au jus de fruit pour faire la confiture). Certaines pectines sont particuli rement abondantes dans la
Biologie moléculaire de la cellule	lamelle moyenne, la r gion sp cialis e qui cimente les parois des cellules adjacentes (voir Figure 19-63) ; ici, on pense que les r ticulations Ca2+ aident maintenir les composants de la paroi cellulaire ensemble. Bien que les liaisons covalentes jouent galement un r le dans la liaison entre les composants, on sait tr s peu de choses sur leur nature. La s paration r gul e des cellules au niveau de la lamelle m diane sous-tend des processus tels que la maturation des tomates et l'abscission (d tachement) des feuilles l'automne. En plus des deux r seaux base de polysaccharides qui forment la majeure partie de toutes les parois cellulaires primaires des plantes, des prot ines sont pr sentes, contribuant jusqu' environ 5 % de la masse s che de la paroi. Beaucoup de ces prot ines sont des enzymes, responsables du renouvellement et du remodelage de la paroi, en particulier pendant la croissance. Une autre classe de prot ines de la paroi, comme le collag ne, contient des niveaux lev s d'hydroxyproline. On pense que ces prot ines renforcent la paroi, et elles sont produites en quantit s consid rablement accrues en r ponse locale l'attaque d'agents pathog nes. D'apr s la s quence du g nome d'Arabidopsis, on estime que plus de 700 g nes sont n cessaires pour synth tiser, assembler et remodeler la paroi cellulaire v g tale. Figure 19 63 Mod le l' chelle d'une portion d'une paroi cellulaire v g tale primaire montrant les deux principaux r seaux de polysaccharides. Les couches de microfibrilles de cellulose dispos es orthogonalement (vert) sont li es en r seau par les glycanes r ticulants (rouge) qui forment des liaisons hydrog ne avec les microfibrilles. Ce r seau est coextensif avec un r seau de polysaccharides de pectine (en bleu). Le r seau de cellulose et de glycanes r ticulants offre une r sistance la traction, tandis que le r seau de pectine r siste la compression. La cellulose, les glycanes r ticulants et la pectine sont g n ralement pr sents en quantit s peu pr s gales dans une paroi cellulaire primaire. La lamelle moyenne est particuli rement riche en pectine et cimente les cellules adjacentes ensemble. Une fois qu'une cellule v g tale a quitt le m rist me o elle est g n r e, elle peut cro tre de fa on spectaculaire, g n ralement de plus de mille fois en volume. La mani re dont cette expansion se produit d termine la forme finale de chaque cellule, et donc la forme finale de la plante dans son ensemble. La pression de turgescence l'int rieur de la cellule entra ne l'expansion, mais c'est le comportement de la paroi cellulaire qui r git sa direction et son tendue. Des activit s complexes de r novation de murs sont n cessaires, ainsi que le d p t de nouveaux mat riaux de mur. En raison de leur structure cristalline, les microfibrilles de cellulose individuelles de la paroi sont incapables de s' tirer, ce qui leur conf re un r le crucial dans le processus. Pour que la paroi cellulaire s' tire ou se d forme, les microfibrilles doivent soit glisser l'une sur l'autre, soit s' loigner plus largement, ou les deux. L'orientation des microfibrilles dans les couches les plus internes de la paroi r git la direction dans laquelle la cellule se dilate. Les cellules des plantes anticipent donc leur morphologie future en contr lant l'orientation des microfibrilles de cellulose qu'elles d posent dans la paroi (Figure 19 64). Contrairement la plupart des autres macromol cules matricielles, qui sont fabriqu es dans le r ticulum endoplasmique et l'appareil de Golgi et sont s cr t es, la cellulose est extraite de la surface de la cellule par un complexe enzymatique li la membrane plasmique (cellulose synthase), qui utilise comme substrat le nucl otide de sucre UDP-glucose fourni par le cytosol. Chaque complexe enzymatique, ou rosette, a une sym trie sextuple (voir la figure 19-65) et contient les produits prot iques de trois g nes distincts de la cellulose synthase (CESA). Chaque prot ine CESA est essentielle la production d'une microfibrille de cellulose. Trois g nes CESA sont n cessaires pour la synth se de la paroi cellulaire primaire et trois autres pour la synth se de la paroi cellulaire secondaire. Au fur et mesure de leur synth se, les cha nes de cellulose naissantes s'assemblent en microfibrilles. Celles-ci sont fil es sur la surface extracellulaire de la membrane plasmique, formant une couche, ou lamelle, dans laquelle toutes les microfibrilles ont plus ou moins le m me alignement (voir Figure 19-63). Chaque nouvelle lamelle est d pos e l'int rieur de la pr c dente, de sorte que la paroi est constitu e de lamelles dispos es de mani re concentrique, les plus anciennes l'ext rieur. Les microfibrilles les plus r cemment d pos es dans les cellules allong es se trouvent g n ralement perpendiculairement l'axe d' longation cellulaire, bien que l'orientation des microfibrilles dans les lamelles externes qui ont t d pos es plus t t puisse tre diff rente (voir figures 19-64B et C).
Biologie moléculaire de la cellule	Figure 19 64 Les microfibrilles de cellulose influencent la direction de l' longation cellulaire. L'orientation des microfibrilles de cellulose dans la paroi cellulaire primaire d'une cellule de carotte allong e est illustr e dans cette micrographie lectronique d'une r plique ombrag e d'une paroi cellulaire rapidement congel e et profond ment grav e. Les microfibrilles de cellulose sont align es parall lement les unes aux autres et perpendiculairement l'axe d' longation cellulaire. les microfibrilles sont r ticul es et entrelac es avec un r seau complexe de mol cules matricielles (comparer avec la figure 19-63). (B, C) les cellules de (B) et commencent par des formes identiques (repr sent es ici par des cubes) mais avec diff rentes orientations en filet des microfibrilles de cellulose dans leurs parois. Bien que la pression de turgescence soit uniforme dans toutes les directions, le rel chement de la paroi cellulaire permet chaque cellule de s'allonger uniquement dans une direction perpendiculaire l'orientation de la couche la plus interne de microfibrilles, qui ont une grande r sistance la traction. L'expansion cellulaire se produit de concert avec l'insertion d'un nouveau mat riau de paroi. La forme finale d'un organe, comme une pousse, est d termin e en partie par la direction dans laquelle ses cellules constitutives peuvent se d velopper. (a, avec l'aimable autorisation de Brian Wells et Keith Roberts.) Un indice important du m canisme qui dicte l'orientation des microfibrilles provient de l'observation des microtubules dans les cellules v g tales. Ceux-ci sont souvent dispos s dans le cytoplasme cortical avec la m me orientation que les microfibrilles de cellulose qui se d posent actuellement dans la paroi cellulaire de cette r gion. Ces microtubules corticaux forment un r seau cortical pr s de la face cytosolique de la membrane plasmique, maintenu l par des prot ines mal caract ris es. L'orientation congruente de l'ensemble cortical des microtubules (situ s juste l'int rieur de la membrane plasmique) et des microfibrilles de cellulose (situ es juste l'ext rieur) est observ e dans de nombreux types et formes de cellules v g tales et est pr sente lors du d p t de la paroi cellulaire primaire et secondaire, ce qui sugg re une relation de cause effet. Cette suggestion peut tre test e en traitant un tissu v g tal avec un m dicament d polym risant les microtubules afin de d sassembler l'ensemble du syst me des microtubules corticaux. Les cons quences des d p ts ult rieurs de cellulose ne sont toutefois pas aussi simples qu'on pourrait s'y attendre. Le traitement m dicamenteux ne perturbe pas la production de nouvelles microfibrilles de cellulose et, dans certains cas, les cellules peuvent continuer d poser de nouvelles microfibrilles dans l'orientation pr existante. Cependant, tout changement de d veloppement dans l'orientation du motif des microfibrilles qui se produirait normalement entre les lamelles successives est invariablement bloqu . Il semble qu'une orientation pr existante des microfibrilles puisse se propager m me en l'absence de microtubules, mais tout changement dans le d p t des microfibrilles de cellulose n cessite la pr sence de microtubules intacts pour d terminer la nouvelle orientation. Ces observations sont coh rentes avec le mod le suivant. Les rosettes synth tisant la cellulose int gr es dans la membrane plasmique produisent de longues mol cules de cellulose. Au fur et mesure que la synth se des mol cules de cellulose et leur auto-assemblage en microfibrilles se poursuivent, l'extr mit distale de chaque microfibrille forme vraisemblablement des r ticulations indirectes avec la couche pr c dente de mat riau de la paroi, orientant la nouvelle microfibrille en parall le avec les anciennes au fur et mesure qu'elle s'int gre la texture de la paroi. Comme la microfibrille est rigide, la rosette son extr mit proximale en croissance doit se d placer lorsqu'elle d pose le nouveau mat riau. Se d pla ant dans le plan de la membrane, la rosette se d place dans la direction d finie par la mani re dont l'extr mit la plus loign e de la microfibrille est ancr e dans la paroi existante. De cette fa on, chaque couche de microfibrilles aurait tendance tre fil e partir de la membrane dans la m me orientation que la couche d pos e pr c demment, les rosettes suivant la direction des microfibrilles orient es pr existantes l'ext rieur de la cellule. Les microtubules orient s l'int rieur de la cellule, cependant, peuvent forcer un changement dans la direction dans laquelle les rosettes se d placent : ils peuvent cr er des limites dans la membrane plasmique qui agissent comme les banques d'un canal pour limiter le mouvement de la rosette (Figure 19-65). Dans cette perspective, la synth se de la cellulose peut se produire ind pendamment des microtubules ; Mais il est limit spatialement lorsque des microtubules corticaux sont pr sents pour d finir des microdomaines me
Biologie moléculaire de la cellule	mbranaires l'int rieur desquels le complexe enzymatique peut se d placer. Figure 19 65 Un mod le de la fa on dont l'orientation des microfibrilles de cellulose nouvellement d pos es pourrait tre d termin e par l'orientation des microtubules corticaux. a) Les grands complexes de cellulose synthase, ou rosettes, sont des prot ines membranaires int grales qui synth tisent en continu des microfibrilles de cellulose sur la face externe de la membrane plasmique. Les extr mit s distales des microfibrilles rigides s'int grent dans la texture de la paroi, et leur allongement l'extr mit proximale pousse le complexe synthase dans le plan de la membrane. Parce que le r seau cortical de microtubules est attach la membrane plasmique d'une mani re qui confine ce complexe des canaux membranaires d finis, l'orientation de ces microtubules lorsqu'ils sont pr sents d termine l'axe le long duquel les nouvelles microfibrilles sont d pos es. (B, C) deux micrographies lectroniques montrent l'association troite des microtubules corticaux avec la membrane plasmique. L'une montre les microtubules en coupe transversale tandis que l'autre pr sente un microtubule en coupe longitudinale. Les deux mettent l'accent sur l' cart constant d'environ 20 nm entre la membrane et le microtubule ; Les mol cules de liaison responsables restent obscures. (B et C, avec l'aimable autorisation d'andrew Staehelin.) Microfibre de cellulose de 0,1 m ajout e la paroi pr existante Microtubule de membrane plasmique fix au complexe de cellulose synthase de la membrane plasmique CYTOSOL De cette fa on, les cellules v g tales peuvent changer de direction d'expansion par un changement soudain de l'orientation de leur r seau cortical de microtubules. Parce que les cellules v g tales ne peuvent pas bouger ( tant contraintes par leurs parois), toute la morphologie de Quels sont les m canismes de r gulation d'une plante multicellulaire d pend probablement d'un coordonn , hautement structur qui contr le le r arrangement ou le d ploiement des orientations des microtubules corticaux au cours du d veloppement de la plante. Est-ce les jonctions cellule-cellule dans l' pith lium au cours du d veloppement pr coce ? Quels r les ne sont pas connus comment ces orientations sont contr l es, bien qu'il ait t d montr que les microtubules peuvent se r orienter rapidement en r ponse des stimuli extracellulaires, inclure ces r arrangements ? r gulateurs de croissance des plantes tels que l' thyl ne et les auxines (voir le chapitre 15). Les microtubules ne sont cependant pas les seuls l ments du cytosquelette qui influencent comment le d p t de la paroi des prot ines de la matrice extracellulaire. Les foyers locaux des filaments d'actine corticale peuvent galement diriger le d p t et les glucides influencent le nouveau mat riau de la paroi des sites sp cifiques de la surface cellulaire, contribuant l'elabo-localisation et aux actions de la formation finale du taux extracellulaire de nombreuses cellules v g tales diff renci es. R cepteurs? coordonner l'activation de l'int grine Les cellules v g tales sont entour es d'une matrice extracellulaire r sistante, ou paroi cellulaire, qui est constitu e de prot ines et de leurs interactions avec responsables de nombreuses caract ristiques uniques du mode de vie d'une plante. La paroi est constitu e de composants com-cytosquelettiques et de leur position d'un r seau de microfibrilles de cellulose et de glycanes de r ticulation, int gr s en r ponse des changements m caniques d'une matrice hautement r ticul e de polysaccharides de pectine. Dans les parois cellulaires secondaires, la lig-force agissant sur les jonctions cellule-matrice ? Du nin peut tre d pos pour les rendre imperm ables, durs et ligneux. Un r seau cortical de microtubules peut contr ler l'orientation des mol cules de cellulose nouvellement d pos es Les mol cules de microfi ont la capacit de pr senter des brils, qui leur tour d terminent la direction de l'expansion cellulaire et donc les r seaux ordonn s finaux de signaux aux cellules, la forme de la cellule et, finalement, de la plante dans son ensemble. Les relations spatiales exactes entre ces signaux pourraient-elles porter un message au-del de celui des signaux individuels eux-m mes ? Quelles d clarations sont vraies ? tant donn les nombreux processus l'int rieur des cellules dont le clivage est r gul par les changements de concentration de Ca2+, il semble probable que les adh sions cellule-cellule d pendantes du Ca2+ soient galement r gul es par les changements de concentration de Ca2+. 19 2 Les jonctions serr es remplissent deux fonctions distinctes : elles scellent l'espace entre les cellules pour restreindre le flux paracellulaire et elles cl turent les domaines de la membrane plasmique pour emp cher le m lange des membranes apicales et basolat rales Figure Q19 1 Production de fragments Fab partir d'anticorps IgG par digestion avec de la papa ne (probl me 19
Biologie moléculaire de la cellule	6). prot ine. 19 3 L' lasticit de l' lastine provient de sa haute con-Fab : les fragments ont t g n r s par la digestion de l'anti-tente IgG des h lices, qui agissent comme des ressorts mol culaires. corps avec de la papa ne, une prot ase, pour s parer les deux sites de liaison (Figure Q19 1). Pourquoi pensez-vous que c' tait nec19-4 Les int grines peuvent convertir des signaux m caniques en essaire pour utiliser des fragments Fab pour bloquer l'agr gation cellulaire ? signaux mol culaires intracellulaires. 19 7 La bact rie d'intoxication alimentaire Clostridium per-Discutez des probl mes suivants. Ffringens fabrique une toxine qui se lie aux membres de la famille des prot ines Claudin, qui sont les principaux constituants de 19 5 Commentaire sur la citation suivante (1922) des jonctions serr es. Lorsque l'extr mit C-terminale de la toxine est li e Warren Lewis, qui a t l'un des pionniers de la biologie cellulaire. une claudine, l'extr mit N-terminale peut s'ins rer dans le "Si les diff rents types de cellules perdaient leur adh rence pour la membrane cellulaire, formant des trous qui tuent la cellule. Il s'est av r que la toxine qui se lie aux claudines est que notre corps se d sint grerait et s' coulerait dans le un r actif pr cieux pour l' tude des propri t s d'un sol serr dans un flux mixte de cellules. Les cellules MDCK sont un choix courant pour les tudes 19 6 Les mol cules d'adh sion cellulaire taient l'origine des jonctions serr es idententi-of car elles peuvent former une pith fie intacte l'aide d'anticorps lev s contre une feuille compo-liale de surface cellulaire haute r sistance trans pith liale. Les cellules MDCK ne permettent pas de bloquer l'agr gation cellulaire. Dans l'expression bloquant l'adh sion de deux claudines : la claudine-1, qui n'est pas li e par les dosages, les chercheurs ont jug n cessaire d'utiliser un anticorps contre la toxine, et la claudine-4, qui l'est. fragments, chacun avec un seul site de liaison (appel Fab Lorsqu'une feuille pith liale MDCK intacte est incufragment e), plut t que des anticorps IgG intacts, qui sont li s par le fragment de toxine C-terminal, des mol cules en forme de Y de claudine-4 avec deux sites de liaison identiques. Le dispara t, devenant ind tectable dans les 24 heures. En (A) BASOLAT RAL (B) APICAL 10 000 Figure Q19 2 Effets de la toxine Clostridium sur la fonction barri re des cellules MDCK (probl me 19 7). (A) Ajout de toxine partir du c t basolat ral de la feuille pith liale. (B) L'ajout de toxine du c t apical de la feuille pith liale. Pour une tension donn e, une r sistance plus lev e (ohms cm2) donne moins de courant paracellulaire. En l'absence de claudine-4, les cellules restent saines et la feuille pith liale appara t intacte. Le nombre moyen de brins dans les jonctions serr es qui relient les cellules diminue galement en 24 heures, passant d'environ quatre environ deux, et elles sont moins fortement ramifi es. Un test fonctionnel de l'int grit des jonctions serr es montre que la r sistance trans pith liale diminue consid rablement en pr sence de la toxine, mais que la r sistance peut tre restaur e en liminant la toxine (Figure Q19 2A). Curieusement, la toxine ne produit ces effets que lorsqu'elle est ajout e la face basolat rale de la feuille ; il n'a aucun effet lorsqu'il est ajout la surface apicale (figure Q19 2B). Un. Comment se fait-il que deux brins jonction serr e restent, alors que toute la claudine-4 a disparu ? b. Pourquoi pensez-vous que la toxine fonctionne lorsqu'elle est ajout e au c t basolat ral du feuillet pith lial, mais pas lorsqu'elle est ajout e au c t apical ? Il n'est pas facile d'attribuer des fonctions particuli res des composants sp cifiques de la lame basale, car la structure globale est un mat riau composite complexe avec des propri t s m caniques et de signalisation. Nidogen, par exemple, r ticule deux composants centraux de la lame basale en se liant la cha ne de laminine -1 et au collag ne de type IV. Compte tenu d'un tel r le cl , il tait surprenant que les souris avec un knock-out homozygote du g ne du nidogen-1 soient en parfaite sant , sans ph notype anormal. De m me, les souris homozygotes pour un knock-out du g ne du nidog ne 2 semblaient galement tout fait normales. En revanche, les souris homozygotes pour une mutation d finie dans le g ne de la laminine -1, qui n' liminait que le site de liaison du nidog ne, sont mortes la naissance avec de graves d fauts dans la formation des poumons et des reins. On pense que la partie mutante de la cha ne de laminine -1 n'a pas d'autre fonction que de se lier au nidog ne et n'affecte pas la structure de la laminine ou sa capacit s'assembler dans la lame basale. Comment expliqueriez-vous ces observations g n tiques, qui sont r sum es dans le tableau Q19-1 ? Selon vous, quel serait le ph notype d'une souris homozygote pour les knock-outs des deux g nes nidogen ? 19-9 Discutez de l'affirm
Biologie moléculaire de la cellule	ation suivante : La lame basale des fibres musculaires sert de tableau d'affichage mol culaire, dans lequel les cellules adjacentes peuvent afficher des messages qui dirigent la diff renciation et la fonction des cellules sous-jacentes. 19-10 L'affinit des int grines pour les composants de la matrice peut tre modul e par des modifications de leurs domaines cytoplasmiques : un processus connu sous le nom de signalisation de l'int rieur vers l'ext rieur. Vous avez identifi une r gion cl dans les domaines cytoplasmiques de l'int grine IIb 3 qui semble tre n cessaire la signalisation de l'int rieur vers l'ext rieur (Figure Q19 3). La substitution de l'alanine la D723 dans la cha ne ou la R995 dans la cha ne conduit un niveau lev de activation spontan e, dans des conditions o les cha nes de type sauvage sont inactives. Votre conseiller vous sugg re de convertir l'aspartate de la cha ne en arginine (D723R) et l'arginine de la cha ne en aspartate (R995D). Vous comparez les trois cha nes (R995, R995A et R995D) avec les trois cha nes (D723, D723A et D723R). Vous constatez que toutes les paires ont un niveau lev d'activation spontan e, l'exception de D723 vs R995 (le type sauvage) et D723R vs R995D, qui ont de faibles niveaux. Sur la base de ces r sultats, comment pensez-vous que l'int grine IIb 3 est maintenue dans son tat inactif ? Figure Q19 3 Repr sentation sch matique de l'int grine IIb 3 (probl me 19 10). Les r sidus D723 et R995 sont indiqu s. (D'apr s P.E. Hughes et al., J. Biol. Chem. 271:6571-6574, 1996. Avec l'autorisation de l'American Society for Biochemistry and Molecular Biology.) 19 11 Les cha nes polysaccharidiques de glycosaminoglycanes qui sont li es des prot ines centrales sp cifiques pour former les composants prot oglycanes de l'espace extracellulaire sont fortement charg es n gativement. Comment pensez-vous que ces cha nes de polysaccharides charg es n gativement aident tablir un environnement hydrat semblable un gel autour de la cellule ? En quoi les propri t s de ces mol cules diff reraient-elles si les cha nes polysaccharidiques n' taient pas charg es ? 19 12 la temp rature corporelle, le L-aspartate dans les prot ines se rac mise en D-aspartate un rythme appr ciable. La plupart des prot ines du corps ont un tr s faible niveau de D-aspartate, si tant est qu'il puisse tre d tect . L' lastine, cependant, a un niveau assez lev de D-aspartate. De plus, la quantit de D-aspartate augmente directement proportionnellement l' ge de la personne sur laquelle l' chantillon a t pr lev . Pourquoi pensez-vous que la plupart des prot ines contiennent peu ou pas de D-aspartate, alors que l' lastine a des niveaux de D-aspartate qui augmentent r guli rement avec l' ge ? 19 13 Votre patron vient d ner ! Tout ce que vous avez pour une salade, c'est de la laitue fan e d'un jour. Vous vous souvenez vaguement qu'il existe une astuce pour rajeunir la laitue fan e, mais vous ne vous souvenez pas de ce que c'est. Devriez-vous faire tremper la laitue dans de l'eau sal e, la tremper dans l'eau du robinet ou la tremper dans de l'eau sucr e, ou peut- tre simplement la mettre en lumi re et esp rer que la photosynth se la stimulera ? 19 14 Une plante doit tre capable de r agir aux changements de l' tat de l'eau de son environnement. Il le fait par l' coulement de mol cules d'eau travers des canaux d'eau appel s aquaporines. La conductivit hydraulique d'une seule aquaporine est de 4,4 10 22 m3 par seconde par MPa (m gapascal) de pression. Qu'est-ce que cela correspond en termes de mol cules d'eau par seconde la pression atmosph rique ? [La pression atmosph rique est de 0,1 MPa (1 bar) et la concentration de l'eau est de 55,5 M.] Beckerle, M, d. (2002) Adh sion cellulaire. Oxford : Oxford University press. hynes rO & Yamada KM (eds) (2011) Biologie de la matrice extracellulaire (perspectives du port de Cold Spring en biologie). Port de Cold Spring : Presse de laboratoire du port de Cold Spring. Brasch J, Harrison OJ, Honig B & Shapiro L (2012) Penser en dehors de la cellule : comment les cadh rines favorisent l'adh sion. Tendances Cell Biol. 22, 299 310. Gomez Ga, McLachlan rW & Yap aS (2011) tension productive : d tection de force et hom ostasie des jonctions cellule-cellule. Tendances Cell Biol. 21, 499 505. Goodenough Da & paul DL (2003) Au-del de l' cart : fonctions des canaux de connexion non appari s. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 4, 285 294. Gumbiner BM (2005) R gulation de l'adh sion m di e par la cadh rine dans la morphogen se. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 6, 622 634. harris tJ & tepass U (2010) adh re aux jonctions : des mol cules la morphogen se. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 11, 502 514. King N, Hittinger Ct & Carroll SB (2003) L' volution des principales familles de prot ines de signalisation cellulaire et d'adh sion est ant rieure aux origines animales. Science 301, 361 363. Leckband DE, le Duc Q, Wang N & de rooij J (2011)
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Biologie moléculaire de la cellule	ils le font PR VENTION ET TRAITEMENT DU CANCER : PR SENT ET FUTUR prosp re aux d pens de ses voisins. En fin de compte, mesure que le clone grandit, volue et se propage, il peut d truire toute la soci t cellulaire (Film 20.1). Dans cette section, nous discutons du d veloppement du cancer en tant que processus micro volutif qui se d roule au cours de la vie humaine dans une sous-population de cellules du corps. Mais le processus d pend des m mes principes de mutation et de s lection naturelle qui ont conduit l' volution des organismes vivants sur Terre pendant des milliards d'ann es. Les cellules canc reuses sont d finies par deux propri t s h r ditaires : (1) elles se reproduisent au m pris des contraintes normales sur la croissance et la division cellulaires, et (2) elles envahissent et colonisent des territoires normalement r serv s aux autres cellules. C'est la combinaison de ces propri t s qui rend les cancers particuli rement dangereux. Une cellule anormale qui se d veloppe (augmente en masse) et prolif re (se divise) de mani re incontr l e donnera naissance une tumeur, ou n oplasme litt ralement, une nouvelle croissance. Tant que les cellules n oplasiques ne sont pas encore devenues invasives, la tumeur est dite b nigne. Pour la plupart des types de ces n oplasmes, l' limination ou la destruction de la masse localement permet g n ralement une gu rison compl te. Une tumeur est consid r e comme un vrai cancer si elle est maligne ; c'est- -dire lorsque ses cellules ont acquis la capacit d'envahir les tissus environnants. L'invasivit est une caract ristique essentielle des cellules canc reuses. Il leur permet de se d tacher, de p n trer dans les vaisseaux sanguins ou lymphatiques et de former des tumeurs secondaires appel es m tastases d'autres endroits du corps (Figure 20 1). En g n ral, plus un cancer se propage largement, plus il devient difficile radiquer. Ce sont g n ralement les m tastases qui tuent le patient canc reux. Les cancers sont traditionnellement class s en fonction du tissu et du type de cellule dont ils proviennent. Les carcinomes sont des cancers provenant des cellules pith liales, et ce sont de loin les cancers les plus courants chez l'homme. Ils repr sentent environ 80 % des cas, peut- tre parce que la majeure partie de la prolif ration cellulaire chez l'adulte se produit dans les pith liums. De plus, les tissus pith liaux sont les plus susceptibles d' tre expos s aux diff rentes formes de dommages physiques et chimiques qui favorisent le d veloppement du cancer. Les sarcomes proviennent du tissu conjonctif ou des cellules musculaires. Les cancers qui n'entrent dans aucune de ces deux grandes cat gories comprennent les diverses leuc mies et lymphomes, d riv s des globules blancs et de leurs pr curseurs (cellules h mopo tiques), ainsi que les cancers d riv s des cellules du syst me nerveux. La figure 20-2 montre les types de cancers courants aux tats-Unis, ainsi que leur incidence et leurs taux de mortalit . Chaque grande cat gorie comporte de nombreuses subdivisions en fonction du type de cellule sp cifique, de l'emplacement dans le corps et de l'aspect microscopique de la tumeur. Parall lement l'ensemble des noms pour les tumeurs malignes, il existe un ensemble connexe de noms pour les tumeurs b nignes : un ad nome, par exemple, est une tumeur pith liale b nigne avec une organisation glandulaire ; le type correspondant de tumeur maligne est l'ad nocarcinome (Figure 20 3). De m me, un chondrome et un chondrosarcome sont, respectivement, des tumeurs b nignes et malignes du cartilage. La plupart des cancers ont des caract ristiques qui refl tent leur origine. Ainsi, par exemple, les cellules d'un carcinome basocellulaire, d riv es d'une cellule souche k ratinocytaire de la peau, continuent g n ralement synth tiser des filaments interm diaires de cytok ratine, tandis que les cellules d'un m lanome, d riv es d'une cellule pigmentaire de la peau, continueront souvent (mais pas toujours) fabriquer des granules de pigment. Les cancers provenant de diff rents types de cellules sont, en g n ral, des maladies tr s diff rentes. Les carcinomes basocellulaires de la peau, par exemple, ne sont invasifs que localement et m tastasent rarement, tandis que les m lanomes peuvent devenir beaucoup plus malins et former souvent des m tastases. Les carcinomes basocellulaires sont facilement gu ris par la chirurgie ou l'irradiation locale, tandis que les m lanomes malins, une fois qu'ils ont largement m tastas , sont g n ralement mortels. Plus tard, nous verrons qu'il existe galement une autre fa on de classer les cancers, qui va au-del de la classification traditionnelle par site d'origine : nous pouvons les classer en fonction des mutations qui rendent les cellules tumorales canc reuses. La derni re section du chapitre montrera comment ces informations peuvent tre cruciales pour la conception et le choix des traitements. Figure 20 1 M tastases. Les tumeurs malignes d
Biologie moléculaire de la cellule	onnent g n ralement lieu des m tastases, ce qui rend le cancer difficile radiquer. Cette image de fusion montre un balayage du corps entier d'un patient atteint d'un lymphome non hodgkinien (NhL) m tastatique. L'image d'arri re-plan des tissus du corps a t obtenue par tomodensitom trie (tomodensitom trie). Superpos cette image, un scanner TEP (tomographie par mission de positons) r v le le tissu tumoral (jaune), d tect par son absorption inhabituellement lev e de fluorod soxyglucose (FDG) marqu radioactivement. une absorption lev e de FDG se produit dans les cellules dont l'absorption et le m tabolisme du glucose sont inhabituellement actifs, ce qui est une caract ristique des cellules canc reuses (voir Figure 20-12). Les taches jaunes dans la r gion abdominale r v lent de multiples m tastases. (Avec l'aimable autorisation de S. Gambhir.) Cancers respiratoires des pith liums du syst me : carcinomes du sein Sang : my lomes, leuc mies et lymphomes Os et tissu conjonctif, nouveaux cas Muscles et syst me vasculaire L GENDE : d c s/an syst me endocrinien, thyro de M me lorsqu'un cancer s'est m tastas , nous pouvons g n ralement retracer ses origines une seule tumeur primaire, apparaissant dans un organe sp cifique. On pense que la tumeur primaire d rive par division cellulaire d'une seule cellule qui a initialement connu un changement h r ditaire. Par la suite, des changements suppl mentaires s'accumulent chez certains des descendants de cette cellule, leur permettant de grandir, de se diviser et souvent de survivre leurs voisins. Au moment o il est d tect pour la premi re fois, un cancer humain typique se d veloppe depuis de nombreuses ann es et contient d j un milliard de cellules canc reuses ou plus (figure 20 4). Les tumeurs contiennent g n ralement une vari t d'autres types de cellules ; Par exemple, les fibroblastes seront pr sents dans le tissu conjonctif de soutien associ un carcinome, en plus des cellules endoth liales inflammatoires et vasculaires. Comment pouvons-nous tre s rs que les cellules canc reuses sont les descendants clonaux d'une seule cellule anormale ? Une fa on de prouver l'origine clonale est l'analyse mol culaire des chromosomes dans les cellules tumorales. Chez presque tous les patients atteints de leuc mie my lo de chronique (LMC), par exemple, nous pouvons distinguer les globules blancs leuc miques des cellules normales du patient par une anomalie chromosomique sp cifique : le chromosome Philadelphie, cr par une translocation entre les bras longs des chromosomes 9 et 22 (Figure 20-5). Lorsque l'ADN au site de translocation est clon et s quenc , on constate que le site de rupture et de r unification des fragments transloqu s est identique dans toutes les cellules leuc miques d'un patient donn , mais que ce site diff re l g rement (de quelques centaines ou milliers de paires de bases) d'un patient l'autre. C'est le r sultat attendu si, et seulement si, le cancer de chaque patient r sulte d'un accident unique survenu dans une seule cellule. Nous verrons plus loin Figure 20 2 Incidence et mortalit par cancer aux tats-Unis. Le nombre total de nouveaux cas diagnostiqu s en 2012 aux tats-Unis tait de 1 665 540 et le nombre total de d c s par cancer tait de 585 720. Notez que les d c s refl tent des cas diagnostiqu s de nombreux moments diff rents et qu'un peu moins de la moiti des personnes qui d veloppent un cancer en meurent. Dans le monde entier, les cinq cancers les plus courants sont ceux du poumon, de l'estomac, du sein, du c lon/rectum et du col de l'ut rus (inclus dans le chiffre sous la rubrique de l'appareil reproducteur), et le nombre total de nouveaux cas de cancer enregistr s par an est d'un peu plus de 6 millions. Les cancers de la peau autres que les m lanomes ne sont pas inclus dans ces chiffres, car presque tous sont gu ris facilement et beaucoup ne sont pas enregistr s. Les donn es pour le Royaume-Uni sont similaires. Cependant, les incidences sont diff rentes dans d'autres parties du monde, ce qui refl te l'exposition g n ralis e diff rents agents infectieux et toxines environnementales. (Donn es de l'American Cancer Society, Cancer Facts and Figures, 2014.) Figure 20 3 Tumeurs b nignes ou malignes. Une tumeur glandulaire b nigne (cellules roses, ad nome) reste l'int rieur de la lame basale (jaune) qui marque la limite de la structure normale (un canal, dans cet exemple). En revanche, une tumeur glandulaire maligne (globules rouges ; un ad nocarcinome) peut se d velopper partir d'une cellule tumorale b nigne et d truire l'int grit du tissu, comme indiqu . Il existe de nombreuses formes diff rentes que ces tumeurs peuvent prendre. Figure 20 4 La croissance d'une tumeur humaine typique, telle qu'une tumeur du sein. Le diam tre de la tumeur est trac sur une chelle logarithmique. Des ann es peuvent s' couler avant que la tumeur ne devienne perceptible. Le Le temps de doublement d'une tumeur mammaire typique, par exemple
Biologie moléculaire de la cellule	, est d'environ 100 jours. Cependant, les tumeurs particuli rement virulentes peuvent se d velopper beaucoup plus rapidement. diam tre de la tumeur (mm) comment cette translocation particuli re favorise le d veloppement de la LMC en cr ant un nouveau g ne hybride codant pour une prot ine qui favorise la prolif ration cellulaire. De nombreuses autres sources de preuves, provenant de divers cancers, pointent vers la m me conclusion : la plupart des cancers proviennent d'une seule cellule aberrante. 0.1 Pour qu'une seule cellule anormale soit l'origine d'une tumeur, elle doit transmettre son anomalie sa descendance : l'aberration doit tre h r ditaire. Ainsi, le d veloppement d'un clone de cellules canc reuses d pend de modifications g n tiques. Les cellules tumorales contiennent des mutations somatiques : elles pr sentent une ou plusieurs anomalies d tectables partag es dans leur s quence d'ADN qui les distinguent des cellules normales entourant la tumeur, comme dans l'exemple de la LMC qui vient d' tre d crit. (Les mutations sont appel es somatiques parce qu'elles se produisent dans le soma, ou cellules du corps, et non dans la lign e germinale). Les cancers sont galement dus des changements pig n tiques, c'est- -dire des changements persistants et h r ditaires dans l'expression des g nes qui r sultent de modifications de la structure de la chromatine sans alt ration de la s quence d'ADN de la cellule. Mais les mutations somatiques qui modifient la s quence d'ADN semblent tre une caract ristique fondamentale et universelle, et le cancer est en ce sens une maladie g n tique. Les facteurs qui causent des changements g n tiques ont tendance provoquer le d veloppement du cancer. Ainsi, la canc rogen se (la g n ration du cancer) peut tre li e la mutagen se (la production d'un changement dans la s quence d'ADN). Cette corr lation est particuli rement claire pour deux classes d'agents externes : (1) les canc rog nes chimiques (qui provoquent g n ralement de simples changements locaux dans la s quence nucl otidique), et (2) les rayonnements tels que les rayons X (qui provoquent g n ralement des cassures et des translocations chromosomiques) ou la lumi re ultraviolette (UV) (qui provoque des alt rations sp cifiques de la base de l'ADN). Comme on pouvait s'y attendre, les personnes qui ont h rit d'un d faut g n tique dans l'un des nombreux m canismes de r paration de l'ADN, provoquant l'accumulation de mutations un taux lev par leurs cellules, courent un risque accru de cancer. Les personnes atteintes de la maladie xeroderma pigmentosum, par exemple, ont des d fauts dans le syst me qui r pare les dommages l'ADN induits par la lumi re UV, et ils ont une incidence consid rablement accrue de cancers de la peau. Une seule mutation ne suffit pas transformer une cellule normale en cellule canc reuse On estime que 1016 divisions cellulaires se produisent dans un corps humain normal au cours d'une vie typique ; Chez une souris, avec son plus petit nombre de cellules et sa dur e de vie plus courte, le nombre est d'environ 1012. M me dans un environnement exempt de mutag nes, les mutations se produiraient spontan ment un taux estim d'environ 10 6 mutations par g ne et par division cellulaire une valeur fix e par des limites fondamentales sur la pr cision de la r plication et de la r paration de l'ADN (voir pp. 237-238). Ainsi, au cours d'une vie typique, chaque g ne est susceptible d'avoir subi une mutation environ 1010 occasions distinctes chez un humain, ou environ 106 fois chez une souris. Parmi les cellules mutantes r sultantes, on pourrait s'attendre un grand nombre qui ont subi des mutations d l t res dans les g nes qui r gulent la croissance et la division cellulaires, amenant les cellules d sob ir aux restrictions normales sur la prolif ration cellulaire. De ce point de vue, le probl me du cancer ne semble pas tre de savoir pourquoi il survient, mais pourquoi il survient si rarement. De toute vidence, si une mutation dans un seul g ne suffisait convertir une cellule saine typique en une cellule canc reuse, nous ne serions pas des organismes viables. De nombreux l ments de preuve indiquent que le d veloppement d'un cancer n cessite g n ralement qu'un nombre important d'accidents g n tiques et pig n tiques ind pendants et rares se produisent dans la lign e qui mane d'une seule cellule. L'une de ces indications provient d' tudes pid miologiques sur l'incidence du cancer en fonction de l' ge (figure 20 6). Si un Figure 20 5 La translocation entre les chromosomes 9 et 22 responsables de la leuc mie my lo de chronique. Les structures normales des chromosomes 9 et 22 sont montr es gauche. Lorsqu'une translocation se produit entre eux au site indiqu , le r sultat est la paire anormale droite. Le plus petit des deux chromosomes anormaux r sultants (22q ) est appel chromosome de Philadelphie, d'apr s la ville o l'anomalie a t enregistr e pour la premi re fois. Fi
Biologie moléculaire de la cellule	gure 20 6 Incidence du cancer en fonction de l' ge. Le nombre de 180 nouveaux cas de cancer du c lon diagnostiqu s chez les femmes en Angleterre et au Pays de Galles en un an est repr sent en fonction de l' ge au moment du diagnostic, par rapport au nombre total d'individus dans chaque groupe d' ge. L'incidence du cancer augmente fortement en fonction de l' ge. S'il suffisait d'une seule mutation pour d clencher le cancer et que cette mutation avait une chance gale de se produire tout moment, l'incidence de ce cancer serait la m me tous les ges. Les analyses de ce type sugg rent que le d veloppement d'une tumeur solide n cessite plut t cinq huit accidents ind pendants ( coups ) qui se produisent de mani re al atoire au fil du temps. Ce calcul du taux d'incidence pour 100 000 suppose que le taux de mutation reste constant au fur et mesure de l' volution d'un cancer, alors qu'en fait il augmente souvent (voir p. 1097). (Donn es de C. Muir et al., Cancer Incidence sur les cinq continents, vol. V. Lyon : Centre international de recherche sur le cancer, 1987.) Une mutation unique tait responsable du cancer, survenant avec une probabilit fixe par an, le risque de d velopper un cancer au cours d'une ann e donn e de la vie devrait tre ind pendant de l' ge. En fait, pour la plupart des types de cancer, l'incidence augmente fortement avec l' ge, comme on pourrait s'y attendre si le cancer est caus par une accumulation progressive et al atoire d'un ensemble de mutations dans une seule lign e de cellules. Comme nous le verrons plus loin, ces arguments indirects ont maintenant t confirm s par le s quen age th matique sys-0 des g nomes des cellules tumorales de patients canc reux individuels et le catalogage des mutations qu'elles contiennent. Pour les cancers connus pour avoir une cause externe sp cifique, la maladie ne devient g n ralement apparente que longtemps apr s l'exposition l'agent causal. L'incidence du cancer du poumon, par exemple, ne commence augmenter fortement qu'apr s des d cennies de tabagisme excessif (figure 20 7). De m me, l'incidence des leuc mies Hiroshima et Nagasaki n'a montr une augmentation marqu e qu'environ 5 ans apr s l'explosion des bombes atomiques, et les travailleurs de l'industrie expos s pendant une p riode limit e des agents chimiques canc rig nes ne d veloppent g n ralement les cancers caract ristiques de leur profession que 10, 20 ou m me plus d'ann es apr s l'exposition. Au cours de cette longue p riode d'incubation, les cellules canc reuses potentielles subissent une succession de changements, et il en va probablement de m me pour les cancers o la l sion g n tique initiale n'a pas de cause externe aussi vidente. Le concept selon lequel le d veloppement d'un cancer n cessite une accumulation progressive de mutations dans un certain nombre de g nes diff rents aide expliquer le ph nom ne bien connu de la progression tumorale, par lequel un trouble initial b nin du comportement cellulaire volue progressivement vers un cancer part enti re. La leuc mie my lo de chronique en est un exemple clair. Il commence par un trouble caract ris par une surproduction non l tale de globules blancs et se poursuit sous cette forme pendant plusieurs ann es avant de se transformer en une maladie progression beaucoup plus rapide qui se termine g n ralement par la mort en quelques mois. Au d but de la phase chronique, les cellules leuc miques se distinguent principalement par la translocation chromosomique (le chromosome Philadelphie) mentionn e pr c demment, bien qu'il puisse y en avoir d'autres, moins visibles Figure 20 7 Le tabagisme et l'apparition du cancer du poumon. Une augmentation importante du tabagisme (ligne rouge) a entra n une augmentation spectaculaire des d c s par cancer du poumon (ligne verte), avec un d calage d'environ 35 ans. tant donn que le tabagisme dans le monde a atteint un pic en 1990, les d c s par cancer du poumon dans le monde devraient diminuer apr s un d calage similaire. (Donn es de R.N. Proctor, Nat. Rev. Cancer 1:82-86, 2001). modifications g n tiques ou pig n tiques. Dans la phase aigu qui suit, les cellules qui pr sentent non seulement la translocation, mais aussi plusieurs autres anomalies chromosomiques envahissent le syst me h matopo tique (formation du sang). Il semble que les cellules du clone mutant initial aient subi d'autres mutations qui les font prolif rer encore plus vigoureusement, de sorte qu'elles sont plus nombreuses que les cellules sanguines normales et leurs anc tres avec la translocation chromosomique primaire. Les carcinomes et autres tumeurs solides voluent de mani re similaire (Figure 20 8). Bien que de nombreux cancers de ce type chez l'homme ne soient diagnostiqu s qu' un stade relativement tardif, dans certains cas, il est possible d'observer les tapes les plus pr coces et, comme nous le verrons plus tard, de les relier des modifications g n tiques sp cifiques La progression tumorale impli
Biologie moléculaire de la cellule	que des cycles successifs de changements h r ditaires al atoires suivis d'une s lection naturelle D'apr s toutes les preuves, il semble donc que les cancers surviennent par un processus dans lequel une population initiale de cellules l g rement anormales descendantes d'un seul anc tre anormal volue de mal en pire travers des cycles successifs de changement h r ditaire al atoire suivi d'une s lection naturelle. En cons quence, les tumeurs se d veloppent par -coups, mesure que d'autres changements h r ditaires avantageux se produisent et que les cellules qui les portent s' panouissent. La progression tumorale implique une grande part de hasard et prend g n ralement de nombreuses ann es, ce qui peut expliquer pourquoi la majorit d'entre nous mourront de causes autres que le cancer. chaque tape de la progression, une cellule individuelle acquiert une mutation suppl mentaire ou un changement pig n tique qui lui donne un avantage s lectif sur ses voisins, ce qui la rend plus apte prosp rer dans son environnement un environnement qui, l'int rieur d'une tumeur, peut tre dur, avec de faibles niveaux d'oxyg ne, des nutriments rares et les barri res naturelles la croissance pr sent es par les tissus normaux environnants. Plus le nombre de cellules tumorales est important, plus il y a de chances qu'au moins l'une d'entre elles subisse un changement qui la favorise par rapport ses voisines. Ainsi, mesure que la tumeur se d veloppe, la progression s'acc l re. La prog niture des cellules les mieux adapt es continue de se diviser, produisant finalement les clones dominants dans la l sion en d veloppement (Figure 20 9). Tout comme dans l' volution des plantes et des animaux, une sorte de sp ciation se produit souvent : la lign e cellulaire canc reuse d'origine peut se diversifier pour donner de nombreux sous-clones de cellules vigoureuses g n tiquement diff rentes. Ceux-ci peuvent coexister dans la m me masse de tissu tumoral ; Ou ils peuvent migrer et coloniser des environnements s par s adapt s leurs bizarreries individuelles, o ils s'installent, prosp rent et progressent en tant que m tastases voluant ind pendamment. Au fur et mesure que de nouvelles mutations apparaissent dans chaque masse tumorale, diff rents sous-clones peuvent obtenir un avantage et finir par pr dominer, pour tre ensuite d pass s par d'autres ou d pass s par leurs propres sous-sous-clones. L'augmentation de la diversit g n tique au fur et mesure que le cancer progresse est l'un des principaux facteurs qui rendent les gu risons difficiles. Figure 20 8 Stades de progression dans le d veloppement du cancer de l' pith lium du col de l'ut rus. Les pathologistes utilisent une terminologie normalis e pour classer les types de troubles qu'ils voient, afin d'orienter le choix du traitement. (A) Dans un pith lium squameux stratifi , les cellules en division sont confin es la couche basale. (B) Dans cette n oplasie intra- pith liale de bas grade (moiti droite de l'image), les cellules en division peuvent tre trouv es dans tout le tiers inf rieur de l' pith lium ; Les cellules superficielles sont encore aplaties et montrent des signes de diff renciation, mais celle-ci est incompl te. (C) Dans la n oplasie intra- pith liale de haut grade, les cellules de toutes les couches pith liales prolif rent et pr sentent une diff renciation d fectueuse. (D) La v ritable malignit commence lorsque les cellules traversent ou d truisent la lame basale qui sous-tend la couche basale de l' pith lium et envahissent le tissu conjonctif sous-jacent. (Photographies avec l'aimable autorisation d'Andrew J. Connolly.) Figure 20 9 volution clonale. Dans ce sch ma sch matique, une tumeur se d veloppe travers des cycles r p t s de mutation et de prolif ration, donnant finalement naissance un clone de cellules canc reuses enti rement malignes. chaque tape, une seule cellule subit une mutation qui augmente la prolif ration cellulaire ou diminue la mort cellulaire, de sorte que sa descendance devient le clone dominant de la tumeur. La prolif ration de chaque clone acc l re l'apparition de l' tape suivante de la progression tumorale en augmentant la taille de la population cellulaire qui risque de subir une mutation suppl mentaire. La derni re tape repr sent e ici est l'invasion travers la membrane basale, une tape initiale des m tastases. En r alit , il y a plus que les trois tapes montr es ici, et une combinaison de changements g n tiques et pig n tiques est impliqu e. Ce qui n'est pas montr ici, c'est le fait qu'au fil du temps, une vari t de sous-clones concurrents appara tront souvent dans une tumeur. Comme nous le verrons plus loin, cette h t rog n it complique les th rapies anticanc reuses (voir figure 20-30). La plupart des cellules canc reuses humaines accumulent des changements g n tiques un rythme anormalement rapide et sont dites g n tiquement instables. L'ampleur de cette instabilit et ses origines mol culaire
Biologie moléculaire de la cellule	s diff rent d'un cancer l'autre et d'un patient l'autre, comme nous le verrons dans une section ult rieure. Le ph nom ne de base tait vident avant m me les analyses mol culaires modernes. Par exemple, les cellules de nombreux cancers pr sentent des ensembles de chromosomes grossi rement anormaux, avec des duplications, des d l tions et des translocations qui sont visibles la mitose (Figure 20-10). Lorsque les cellules sont maintenues en culture, on peut souvent voir ces mod les de perturbation chromosomique voluer rapidement et d'une mani re apparemment al atoire. Et pendant de nombreuses ann es, les pathologistes ont utilis une apparence anormale du noyau cellulaire pour identifier et classer les cellules canc reuses dans les biopsies tumorales ; En particulier, les cellules canc reuses peuvent contenir une quantit inhabituellement lev e d'h t rochromatine, une forme condens e de chromatine interphase qui r duit au silence les g nes (voir pp. 194-195). Cela sugg re que les changements pig n tiques de la structure de la chromatine peuvent galement contribuer au ph notype des cellules canc reuses, comme l'a r cemment confirm l'analyse mol culaire. L'instabilit g n tique observ e dans les cellules canc reuses peut provenir de d fauts dans la capacit r parer les dommages l'ADN ou corriger des erreurs de r plication de diverses sortes. Ces alt rations entra nent des changements dans la s quence d'ADN et produisent des r arrangements tels que des translocations et des duplications d'ADN. Les d fauts de s gr gation chromosomique au cours de la mitose sont galement courants, ce qui constitue une autre source possible d'instabilit chromosomique et de modifications du caryotype. D'un point de vue volutionniste, rien de tout cela ne devrait tre une surprise : tout ce qui augmente la probabilit de changements al atoires dans la fonction g nique h r ditaire d'une g n ration cellulaire l'autre et qui n'est pas trop d l t re est susceptible d'acc l rer l' volution d'un clone de cellules vers la malignit , provoquant ainsi la s lection de cette propri t au cours de la progression tumorale. cellules pith liales se d veloppant sur la production accidentelle de la lame basale de la cellule mutante cellule avec la cellule Figure 20 10 Chromosomes d'une tumeur du sein pr sentant des anomalies de structure et de nombre. Les chromosomes ont t pr par s partir d'une cellule tumorale du sein en m taphase, tal s sur une lame de verre et color s avec (A) une coloration g n rale de l'ADN ou (B) une combinaison de mol cules d'ADN marqu es par fluorescence qui colorent chaque chromosome humain normal diff remment (voir Figure 4-10). La coloration (affich e en fausses couleurs) montre de multiples translocations, y compris un chromosome doublement transloqu (fl che blanche) compos de deux morceaux du chromosome 8 (vert-brun) et d'un morceau du chromosome 17 (violet). Le caryotype contient galement 48 chromosomes, au lieu des 46 habituels. (Avec l'aimable autorisation de Joanne Davidson et Paul Edwards.) Les cellules canc reuses pr sentent un contr le alt r de la croissance La mutabilit et le grand nombre de cellules cr ent des possibilit s de mutations, mais la force motrice du d veloppement d'un cancer doit provenir d'une sorte d'avantage s lectif poss d par les cellules mutantes. De toute vidence, une mutation ou un changement pig n tique peut conf rer un tel avantage en augmentant la vitesse laquelle un clone de cellules prolif re ou en lui permettant de continuer prolif rer alors que les cellules normales s'arr teraient. Les cellules canc reuses qui peuvent tre cultiv es en culture, ou les cellules cultiv es artificiellement modifi es pour contenir les types de mutations rencontr es dans les cancers, pr sentent g n ralement un ph notype transform . Ils sont anormaux dans leur forme, leur motilit , leurs r ponses aux facteurs de croissance dans le milieu de culture et, de mani re plus caract ristique, dans la fa on dont ils r agissent au contact avec le substrat et les uns avec les autres. Les cellules normales ne se divisent pas moins d' tre attach es au substrat ; Les cellules transform es se divisent souvent m me si elles sont maintenues en suspension. Les cellules normales sont emp ch es de bouger et de se diviser lorsque la culture atteint la confluence (o les cellules se touchent) ; Les cellules transform es continuent de bouger et de se diviser m me apr s la confluence, et s'empilent ainsi couche apr s couche dans la bo te de culture (Figure 20 11). Dans De plus, les cellules transform es n'ont plus besoin de tous les signaux positifs de leur environnement dont les cellules normales ont besoin. Leur comportement en culture donne une id e de la fa on dont les cellules canc reuses peuvent mal se comporter dans leur environnement naturel, int gr es dans un tissu. Mais les cellules canc reuses du corps pr sentent d'autres particularit s qui les distinguent des cellule
Biologie moléculaire de la cellule	s normales, au-del de celles qui viennent d' tre d crites. Avec suffisamment d'oxyg ne, les cellules normales des tissus adultes oxydent g n ralement compl tement presque tout le carbone du glucose qu'elles absorbent jusqu'au CO2, qui est perdu par le corps sous forme de d chets. Une tumeur en croissance a besoin de nutriments en abondance pour fournir les l ments constitutifs de la fabrication de nouvelles macromol cules. En cons quence, la plupart des tumeurs ont un m tabolisme plus similaire celui d'un embryon en croissance qu' celui d'un tissu adulte normal. Les cellules tumorales consomment avidement le glucose, l'important du sang un taux qui peut tre jusqu' 100 fois plus lev que les cellules normales voisines. De plus, seule une petite fraction de ce glucose import est utilis e pour la production d'ATP par phosphorylation oxydative. Au lieu de cela, une grande quantit de lactate est produite, et une grande partie des atomes de carbone restants d riv s du glucose sont d tourn s pour tre utilis s comme mati res premi res pour la synth se des prot ines, des acides nucl iques et des lipides n cessaires la croissance tumorale (Figure 20-12). Cette tendance des cellules tumorales r duire l'importance de la phosphorylation oxydative m me lorsque l'oxyg ne est abondant, tout en absorbant de grandes quantit s de glucose, peut tre d montr e pour favoriser la croissance des cellules canc reuses et est appel e les cellules transform es monocouches inhib es par le contact de Warburg foyers de cellules normales non inhib es des cellules normales dans l'inhibition de perte de contact cellules transform es bo te de culture tissulaire Figure 20 11 Perte d'inhibition de contact par les cellules canc reuses en culture cellulaire. La plupart des cellules normales cessent de prolif rer une fois qu'elles ont recouvert la parabole d'une seule couche de cellules : la prolif ration semble d pendre du contact avec la parabole et tre inhib e par les contacts avec d'autres cellules un ph nom ne connu sous le nom d' inhibition de contact . Les cellules canc reuses, en revanche, ne tiennent g n ralement pas compte de ces contraintes et continuent se d velopper, de sorte qu'elles s'empilent les unes sur les autres, comme le montre le film 20.2. (A) Dessin sch matique. (B et C) Micrographies optiques de fibroblastes normaux (B) et transform s (C). (B et C, avec l'aimable autorisation de Lan Bo Chen.) PRODUITS NETS : PRODUITS NETS : PRODUITS NETS : NERGIE, CO2, NERGIE H2O, BLOCS CONSTITUTIFS, effet NADPH ainsi nomm parce qu'Otto Warburg a remarqu le ph nom ne pour la premi re fois au d but du XXe si cle. C'est cette absorption anormalement lev e du glucose qui permet d'imager s lectivement les tumeurs dans les scintigraphies du corps entier (voir Figure 20-1), fournissant ainsi un moyen de surveiller la progression du cancer et les r ponses au traitement. Les cellules canc reuses ont une capacit anormale survivre au stress et aux dommages l'ADN Dans un grand organisme multicellulaire, il existe de puissants m canismes de s curit qui prot gent contre les probl mes qui peuvent tre caus s par des cellules endommag es et d rang es. Par exemple, un d sordre interne donne lieu des signaux de danger dans la cellule d fectueuse, activant des dispositifs de protection qui peuvent ventuellement conduire l'apoptose (voir chapitre 18). Pour survivre, les cellules canc reuses ont besoin de mutations suppl mentaires pour chapper ou briser ces d fenses contre les mauvais comportements cellulaires. Les cellules canc reuses contiennent des mutations qui conduisent la cellule dans un tat anormal, o les processus m taboliques peuvent tre d s quilibr s et o des composants cellulaires essentiels peuvent tre produits dans des proportions inadapt es. Les tats de ce type, o les m canismes hom ostatiques de la cellule sont inad quats pour faire face une perturbation impos e, sont vaguement appel s tats de stress cellulaire. titre d'exemple, la rupture des chromosomes et d'autres formes de dommages l'ADN sont couramment observ es au cours du d veloppement du cancer, ce qui refl te l'instabilit g n tique des cellules canc reuses. Ainsi, pour survivre et se diviser sans limite, une cellule canc reuse potentielle doit accumuler des mutations qui d sactivent les m canismes de s curit normaux qui induiraient autrement une cellule stress e, de cette mani re ou d'une autre, se suicider. En fait, l'un des plus importants propri t s de nombreux types de cellules canc reuses est qu'elles ne parviennent pas subir l'apoptose alors qu'une cellule normale le ferait (Figure 20 13). Bien que les cellules canc reuses aient tendance viter l'apoptose, cela ne signifie pas qu'elles meurent rarement. Au contraire, l'int rieur d'une grande tumeur solide, la mort cellulaire se produit souvent grande chelle : les conditions de vie sont difficiles, avec une forte concurrence entre les cellules canc r
Biologie moléculaire de la cellule	euses pour l'oxyg ne et les nutriments. Beaucoup meurent, mais g n ralement beaucoup plus par n crose que par apoptose (Figure 20 14). La tumeur se d veloppe parce que le taux de natalit cellulaire d passe le taux de mort cellulaire, mais souvent par une petite marge. Pour cette raison, le temps qu'il faut une tumeur pour doubler de taille peut tre beaucoup plus long que le temps du cycle cellulaire des cellules tumorales. Les cellules canc reuses humaines chappent une limite intrins que la prolif ration cellulaire De nombreuses cellules humaines normales ont une limite intrins que au nombre de fois qu'elles peuvent se diviser lorsqu'elles sont stimul es pour prolif rer en culture : elles cessent d finitivement de se diviser Figure 20 12 L'effet Warburg dans les cellules tumorales refl te un changement spectaculaire dans l'absorption du glucose et le m tabolisme du sucre. (A) Les cellules qui ne prolif rent pas oxydent normalement presque tout le glucose qu'elles importent du sang pour produire de l'ATP par la phosphorylation oxydative qui a lieu dans leurs mitochondries. Ce n'est que lorsqu'elles sont priv es d'oxyg ne que ces cellules g n rent la majeure partie de leur ATP partir de la glycolyse, convertissant le pyruvate produit en lactate afin de r g n rer le NAD+ dont elles ont besoin pour maintenir la glycolyse (voir Figure 2-47). (B) Les cellules tumorales, en revanche, produisent g n ralement du lactate en abondance m me en pr sence d'oxyg ne. Cela r sulte d'une augmentation consid rable du taux de glycolyse qui est aliment e par une tr s forte augmentation du taux d'importation de glucose. De cette fa on, les cellules tumorales ressemblent aux cellules qui prolif rent rapidement dans les embryons (et lors de la r paration des tissus), qui ont galement besoin pour la biosynth se d'un grand nombre de petits blocs de construction mol culaires qui peuvent tre produits partir de glucose import (voir aussi Figure 20-26). 1100 Chapitre 20 : Le cancer apr s un certain nombre de doublements de population (25-50 pour les fibroblastes humains, par exemple). Ce m canisme de comptage de la division cellulaire est appel s nescence cellulaire r plicative, et il d pend g n ralement du raccourcissement progressif des t lom res aux extr mit s des chromosomes, un processus qui finit par modifier leur structure (discut au chapitre 17). Comme nous l'avons vu au chapitre 5, la r plication de l'ADN des t lom res pendant la phase S d pend de l'enzyme t lom rase, qui maintient une s quence d'ADN t lom rique sp ciale qui favorise la formation de structures de coiffe prot ique pour prot ger les extr mit s des chromosomes. Parce que de nombreuses cellules humaines prolif rantes (les cellules souches tant une exception) sont d ficientes en t lom rase, leurs t lom res se raccourcissent chaque division et leurs capuchons protecteurs se d t riorent, cr ant un signal de dommages l'ADN. Finalement, les extr mit s chromosomiques modifi es peuvent d clencher un arr t permanent du cycle cellulaire, provoquant la mort d'une cellule normale. Les cellules canc reuses humaines vitent la s nescence des cellules r plicatives de l'une des deux mani res suivantes. Ils peuvent maintenir l'activit de la t lom rase pendant qu'elle prolif re, de sorte que leurs t lom res ne se raccourcissent pas ou ne se d coiffent pas, ou ils peuvent d velopper un m canisme alternatif bas sur la recombinaison homologue (appel ALT) pour allonger leurs extr mit s chromosomiques. Quelle que soit la strat gie utilis e, le r sultat est que les cellules canc reuses continuent de prolif rer dans des conditions o les cellules normales s'arr teraient. Le microenvironnement tumoral influence le d veloppement du cancer Alors que les cellules canc reuses d'une tumeur sont porteuses de mutations dangereuses et sont souvent grossi rement anormales, les autres cellules de la tumeur, en particulier celles du tissu conjonctif de soutien, ou stroma, sont loin d' tre des spectateurs passifs. Le Figure 20 13L'augmentation de la division cellulaire et la diminution de l'apoptose peuvent contribuer la tumorigen se. Dans tissus normaux, l'apoptose quilibre la division cellulaire pour maintenir l'hom ostasie (voir film 18.1). Au cours du d veloppement du cancer, une augmentation de la division cellulaire ou une inhibition de l'apoptose peut entra ner une augmentation du nombre de cellules importantes pour la tumorigen se. Les cellules destin es subir l'apoptose sont grises dans ce sch ma. Une augmentation de la division cellulaire et une diminution de l'apoptose contribuent normalement la croissance tumorale. Figure 20 14Coupe transversale d'un ad nocarcinome du c lon qui a m tastas au poumon. Cette tranche de tissu montre des cellules canc reuses colorectales bien diff renci es formant des glandes coh sives dans le poumon. Les m tastases ont des zones roses centrales de n crose o les cellules canc reuses mourantes ont d pass leur approv
Biologie moléculaire de la cellule	isionnement en sang. De telles r gions anoxiques sont courantes l'int rieur des grandes tumeurs. (Avec l'aimable autorisation d'Andrew J. Connolly.) Le d veloppement d'une tumeur repose sur une communication bidirectionnelle entre les cellules tumorales et le stroma tumoral, tout comme le d veloppement normal des organes pith liales repose sur la communication entre les cellules pith liales et les cellules m senchymateuses (discut au chapitre 22). Le stroma fournit un cadre pour la tumeur. Il est compos de tissu conjonctif normal contenant des fibroblastes et des globules blancs inflammatoires, ainsi que des cellules endoth liales qui forment les vaisseaux sanguins et lymphatiques avec leurs p ricytes et cellules musculaires lisses (Figure 20 15). Au fur et mesure qu'un carcinome progresse, les cellules canc reuses induisent des changements dans le stroma en s cr tant des prot ines de signal qui modifient le comportement des cellules stromales, ainsi que des enzymes prot olytiques qui modifient la matrice extracellulaire. Les cellules stromales r agissent leur tour sur les cellules tumorales, s cr tant des prot ines de signal qui stimulent la croissance et la division des cellules canc reuses ainsi que des prot ases qui remod lent davantage la matrice extracellulaire. De ces fa ons, la tumeur et son stroma voluent ensemble, comme les mauvaises herbes et l' cosyst me qu'elles envahissent, et la tumeur devient d pendante de ses cellules stromales particuli res. Des exp riences sur des souris indiquent que la croissance de certains carcinomes transplant s d pend des fibroblastes associ s la tumeur et que les fibroblastes normaux ne feront pas l'affaire. De telles exigences environnementales aident nous prot ger du cancer, comme nous le verrons ci-dessous en examinant le ph nom ne critique appel m tastase. Les cellules canc reuses ont g n ralement besoin de se propager et de se multiplier de nouveaux endroits dans le corps afin de nous tuer, par le biais d'un processus appel m tastase. Il s'agit de l'aspect le plus mortel et le moins compris du cancer, tant responsable de 90 % des d c s associ s au cancer. En se propageant dans le corps, un cancer devient presque impossible radiquer par la chirurgie ou l'irradiation locale. Les m tastases sont elles-m mes un processus en plusieurs tapes : les cellules canc reuses doivent d'abord envahir les tissus et les vaisseaux locaux, se d placer dans la circulation, quitter les vaisseaux, puis tablir de nouvelles colonies cellulaires des sites distants (Figure 20 16). Chacun de ces v nements est complexe, et la plupart des m canismes mol culaires impliqu s ne sont pas encore clairs. Pour qu'une cellule canc reuse devienne dangereuse, elle doit se lib rer des contraintes qui maintiennent les cellules normales leur place et les emp chent d'envahir les tissus voisins. L'invasivit est donc l'une des propri t s d terminantes des tumeurs malignes, qui pr sentent un sch ma de croissance d sorganis et des bords d chiquet s, avec des extensions dans les tissus environnants (voir, par exemple, la figure 20-8). Bien que les changements mol culaires sous-jacents ne soient pas bien compris, le caract re invasif n cessite presque certainement une perturbation des m canismes adh sifs qui maintiennent normalement les cellules attach es leurs voisins appropri s et la matrice extracellulaire. Pour les carcinomes, ce changement ressemble la transition pith liale-m senchymateuse (TEM) qui se produit dans certains tissus pith liaux au cours du d veloppement normal (voir p. 1042). L' tape suivante des m tastases l' tablissement de colonies dans des organes loign s commence par l'entr e dans la circulation : les cellules canc reuses invasives doivent p n trer dans la circulation. Figure 20 15 Le microenvironnement tumoral joue un r le dans la tumorigen se. Les tumeurs sont constitu es de nombreux types de cellules, notamment les cellules canc reuses, les cellules endoth liales, les p ricytes (cellules musculaires lisses vasculaires), les fibroblastes et les globules blancs inflammatoires. La communication entre ces types de cellules et d'autres joue un r le important dans le d veloppement de la tumeur. Notez cependant que seules les cellules canc reuses sont consid r es comme g n tiquement anormales dans une tumeur. 1102 Chapitre 20 : Cancer Les cellules normales de l' pith lium se d veloppent mesure que la tumeur b nigne dans les cellules de l' pith lium devient invasive et p n tre dans le capillaire (moins de 1 cellule sur 1000 survivra pour former des m tastases) adh re au vaisseau sanguin s' chappe du vaisseau sanguin colonise le foie, formant une paroi dans le foie pour former une microm tastase m tastase part enti re Figure 20 16 tapes du processus de m tastase. Cet exemple illustre la propagation d'une tumeur d'un organe tel que la vessie au foie. Les cellules tumorales peuvent p n trer directement dans la circulation sanguine en tra
Biologie moléculaire de la cellule	versant la paroi d'un vaisseau sanguin, comme illustr ici, ou, plus souvent peut- tre, en traversant la paroi d'un vaisseau lymphatique qui d charge finalement son contenu (lymphe) dans la circulation sanguine. Les cellules tumorales qui ont p n tr dans un vaisseau lymphatique sont souvent pi g es dans les ganglions lymphatiques en cours de route, donnant lieu des m tastases ganglionnaires. Des tudes chez l'animal montrent que g n ralement beaucoup moins d'une cellule tumorale maligne sur mille qui p n tre dans la circulation sanguine colonisera un nouveau tissu afin de produire une tumeur d tectable sur un nouveau site. paroi d'un vaisseau sanguin ou lymphatique. Les vaisseaux lymphatiques, tant plus grands et ayant des parois plus fragiles que les vaisseaux sanguins, permettent aux cellules canc reuses d'entrer en petits amas ; Ces amas peuvent alors se coincer dans les ganglions lymphatiques, donnant lieu des m tastases ganglionnaires. Les cellules canc reuses qui p n trent dans les vaisseaux sanguins, en revanche, semblent le faire individuellement. Gr ce aux techniques modernes de tri des cellules en fonction de leurs propri t s de surface, il est devenu possible dans certains cas de d tecter ces cellules tumorales circulantes (CTC) dans des chantillons de sang de patients canc reux, m me si elles ne repr sentent qu'une infime fraction de la population totale de cellules sanguines. Ces cellules, en principe du moins, fournissent un chantillon utile de la population de cellules tumorales pour l'analyse g n tique. Parmi les cellules canc reuses qui p n trent dans les lymphatiques ou la circulation sanguine, seule une infime proportion r ussit en sortir, s'installer dans de nouveaux sites, y survivre et y prolif rer en tant que fondateurs de m tastases. Des exp riences montrent que moins d'une personne sur mille, peut- tre une sur des millions, r ussit cet exploit. L' tape finale de la colonisation semble tre la plus difficile : l'instar des Vikings qui ont d barqu sur les rivages inhospitaliers du Groenland, les cellules migratrices risquent de ne pas survivre dans cet environnement tranger ; ou ils peuvent n'y prosp rer que pendant une courte p riode pour fonder une petite colonie une microm tastase qui s' teint ensuite (film 20.3). De nombreux cancers sont d couverts avant d'avoir r ussi fonder des colonies m tastatiques et peuvent tre gu ris par la destruction de la tumeur primaire. Mais l'occasion, une microm tastase non d tect e restera dormante pendant de nombreuses ann es, pour ensuite r v ler sa pr sence en clatant en croissance pour former une grande tumeur secondaire longtemps apr s que la tumeur primaire ait t retir e. De nombreuses propri t s contribuent g n ralement la croissance canc reuse De toute vidence, pour produire un cancer, une cellule doit acqu rir une gamme de propri t s aberrantes un ensemble de nouvelles comp tences subversives au fur et mesure de son volution. Diff rents cancers n cessitent diff rentes combinaisons de ces propri t s. N anmoins, les cancers partagent tous des caract ristiques communes. Par d finition, ils ignorent tous ou interpr tent mal les contr les sociaux normaux afin de prolif rer et de se propager l o les cellules normales ne le feraient pas. Ces propri t s d terminantes sont g n ralement combin es avec d'autres caract ristiques qui aident les m cr ants se lever et prosp rer. Une liste des principaux attributs des cellules canc reuses en g n ral comprendrait les l ments suivants, dont nous venons de discuter : 1. Ils se d veloppent (biosynth se) alors qu'ils ne le devraient pas, aid s par un m tabolisme pass de la phosphorylation oxydative la glycolyse a robie. 2. Ils passent par le cycle de division cellulaire alors qu'ils ne le devraient pas. 3. Ils s' chappent de leurs tissus d'origine (c'est- -dire qu'ils sont envahissants) et survivent et prolif rent dans des sites trangers (c'est- -dire qu'ils m tastasent). 4. Ils ont des r ponses de stress anormales, ce qui leur permet de survivre et de continuer se diviser dans des conditions de stress qui arr teraient ou tueraient les cellules normales, et ils sont moins enclins que les cellules normales se suicider par apoptose. 5. Ils sont instables g n tiquement et pig n tiquement. 6. Ils chappent la s nescence des cellules r plicatrices, soit en produisant de la t lom rase, soit en acqu rant un autre moyen de stabiliser leurs t lom res. Dans la section suivante du chapitre, nous examinons les mutations et les m canismes mol culaires qui sous-tendent ces propri t s et d'autres propri t s des cellules canc reuses. Les cellules canc reuses, par d finition, se d veloppent et prolif rent au m pris des contr les normaux (c'est- -dire qu'elles sont n oplasiques) et sont capables d'envahir les tissus environnants et de coloniser des organes loign s (c'est- -dire qu'elles sont malignes). En donnant naissance des tumeurs secondaires, o
Biologie moléculaire de la cellule	u m tastases, elles deviennent difficiles radiquer par chirurgie ou irradiation locale. On pense que les cancers proviennent d'une seule cellule qui a subi une mutation initiale, mais la descendance de cette cellule doit subir de nombreux autres changements, n cessitant des mutations et des v nements pig n tiques suppl mentaires, pour devenir canc reuse. La progression tumorale prend g n ralement de nombreuses ann es et refl te le fonctionnement d'un processus d' volution de type darwinien, dans lequel les cellules somatiques subissent des mutations et des changements pig n tiques accompagn s de s lection naturelle. Les cellules canc reuses acqui rent une vari t de propri t s sp ciales mesure qu'elles voluent, se multiplient et se propagent. Leurs g nomes mutants leur permettent de cro tre et de se diviser au m pris des signaux qui maintiennent normalement la prolif ration cellulaire sous un contr le strict. Dans le cadre du processus volutif de progression tumorale, les cellules canc reuses acqui rent une collection d'anomalies suppl mentaires, y compris des d fauts dans les contr les qui arr tent d finitivement la division cellulaire ou induisent l'apoptose en r ponse au stress cellulaire ou aux dommages l'ADN, et dans les m canismes qui emp chent normalement les cellules de s' loigner de leur place. Tous ces changements augmentent la capacit des cellules canc reuses survivre, cro tre et se diviser dans leurs tissus d'origine, puis m tastaser, fondant de nouvelles colonies dans des environnements trangers. L' volution d'une tumeur d pend galement d'autres cellules pr sentes dans le microenvironnement tumoral, collectivement appel es cellules stromales, que le cancer attire et manipule. tant donn que de nombreux changements sont n cessaires pour conf rer cet ensemble de comportements asociaux, il n'est pas surprenant que la plupart des cellules canc reuses soient g n tiquement et/ou pig n tiquement instables. On pense que cette instabilit est s lectionn e dans les clones de cellules aberrantes capables de produire des tumeurs, car elle acc l re consid rablement l'accumulation d'autres modifications g n tiques et pig n tiques n cessaires la progression tumorale. G NES CRITIQUES DU CANCER : comment ils sont trouv s et o ils le font Comme nous l'avons vu, le cancer d pend de l'accumulation de modifications h r ditaires dans les cellules somatiques. Pour le comprendre au niveau mol culaire, nous devons identifier les mutations et les changements pig n tiques impliqu s. pour d couvrir comment ils donnent lieu un comportement cellulaire canc reux. Il est souvent facile de trouver les cellules pertinentes ; Ils sont favoris s par la s lection naturelle et attirent l'attention sur eux-m mes en donnant naissance des tumeurs. Mais comment identifier ces g nes avec les changements favorisant le cancer parmi tous les autres g nes des cellules canc reuses ? Un cancer typique d pend de tout un ensemble de mutations et de changements pig n tiques, g n ralement un ensemble quelque peu diff rent chez chaque patient. De plus, une cellule canc reuse donn e contiendra galement un grand nombre de mutations somatiques qui sont des sous-produits accidentels appel s passagers plut t que conducteurs de son instabilit g n tique, et il peut tre difficile de distinguer ces changements insignifiants de ceux qui ont un r le causal dans la maladie. Malgr ces difficult s, de nombreux g nes qui sont modifi s plusieurs reprises dans les cancers humains ont t identifi s au cours des 40 derni res ann es. Nous appellerons ces g nes, faute d'un meilleur terme, g nes critiques pour le cancer, c'est- -dire tous les g nes dont l'alt ration contribue la causalit ou l' volution du cancer en conduisant la tumorigen se. Dans cette section, nous allons d'abord voir comment les g nes critiques pour le cancer sont identifi s. Nous examinerons ensuite leurs fonctions et le r le qu'elles jouent dans l'attribution aux cellules canc reuses des propri t s d crites dans la premi re partie du chapitre. Nous terminerons la section en discutant du cancer du c lon comme un exemple tendu, montrant comment une succession de changements dans les g nes critiques du cancer permet une tumeur d' voluer d'un mod le de mauvais comportement un autre qui est pire. L'identification des mutations canc reuses de gain de fonction et de perte de fonction a traditionnellement n cessit diff rentes m thodes Les g nes critiques pour le cancer sont regroup s en deux grandes classes, selon que le risque de cancer provient d'une activit trop importante ou insuffisante du produit g nique. Les g nes de la premi re classe, dans lesquels une mutation de gain de fonction peut conduire une cellule vers le cancer, sont appel s proto-oncog nes ; Leurs formes mutantes, hyperactives ou surexprim es sont appel es oncog nes. Les g nes de la deuxi me classe, dans lesquels une mutation de perte de fonction peut contribuer au can
Biologie moléculaire de la cellule	cer, sont appel s g nes suppresseurs de tumeurs. Dans les deux cas, la mutation peut conduire au cancer directement (en provoquant la prolif ration des cellules alors qu'elles ne le devraient pas) ou indirectement par exemple, en provoquant une instabilit g n tique ou pig n tique et en acc l rant ainsi l'apparition d'autres changements h r ditaires qui stimulent directement la croissance tumorale. Les g nes dont l'alt ration entra ne une instabilit g nomique repr sentent une sous-classe de g nes critiques pour le cancer qui sont parfois appel s g nes de maintien du g nome. Comme nous le verrons, les mutations dans les oncog nes et les g nes suppresseurs de tumeurs peuvent avoir des effets similaires dans la promotion du d veloppement du cancer ; La surproduction d'un signal de prolif ration cellulaire, par exemple, peut r sulter de l'un ou l'autre type de mutation. Ainsi, du point de vue d'une cellule canc reuse, les oncog nes et les g nes suppresseurs de tumeurs ainsi que les mutations qui les affectent sont les deux faces d'une m me m daille. Les techniques qui ont conduit la d couverte de ces deux cat gories de g nes sont cependant tr s diff rentes. La mutation d'une seule copie d'un proto-oncog ne qui le convertit en oncog ne a un effet dominant de stimulation de la croissance sur une cellule (Figure 20 17A). Ainsi, nous pouvons identifier l'oncog ne par son effet lorsqu'il est ajout par transfection d'ADN, par exemple, ou par infection par un vecteur viral au g nome d'un type appropri de cellule testeuse ou d'animal de laboratoire. Dans le cas du g ne suppresseur de tumeur, en revanche, les all les canc rig nes produits par le changement sont g n ralement r cessifs : souvent (mais pas toujours) les deux copies du g ne normal doivent tre retir es ou inactiv es dans la cellule somatique diplo de avant qu'un effet ne soit observ (Figure 20-17B). Cela n cessite une approche exp rimentale diff rente, ax e sur la d couverte de ce qui manque dans la cellule canc reuse. liminer fonctionnellement le g ne suppresseur de tumeur, favorisant la transformation cellulaire Nous commen ons par discuter de quelques exemples de chaque classe de g nes critiques pour le cancer afin d'illustrer les principes de base. Ces exemples sont galement choisis pour leur importance historique : les exp riences qui ont conduit leur d couverte, diff rentes poques et par diff rentes m thodes, ont marqu des tournants dans la compr hension du cancer. Les r trovirus peuvent agir comme vecteurs d'oncog nes qui modifient le comportement cellulaire La recherche des causes g n tiques du cancer humain a emprunt une voie d tourn e, en commen ant par des indices provenant de l' tude des virus tumoraux. Bien que les virus ne soient impliqu s que dans une minorit de cancers humains, un ensemble de virus qui infectent les animaux a fourni des outils pr coces essentiels pour tudier le cancer. L'un des premiers virus animaux tre impliqu dans le cancer a t d couvert il y a plus de 100 ans chez les poulets, lorsqu'un agent infectieux qui provoque des tumeurs du tissu conjonctif, ou sarcomes, a t caract ris comme un virus, le virus du sarcome de Rous. Comme tous les autres virus tumoraux ARN d couverts depuis, il s'agit d'un r trovirus. Lorsqu'il infecte une cellule, son g nome d'ARN est copi dans l'ADN par transcription inverse, et l'ADN est ins r dans le g nome de l'h te, o il peut persister et tre h rit par les g n rations suivantes de cellules. Quelque chose dans l'ADN ins r par le virus du sarcome de Rous rendait les cellules h tes canc reuses, mais qu'est-ce que c' tait ? La r ponse a t une surprise. Il s'est av r qu'il s'agissait d'un morceau d'ADN qui n' tait pas n cessaire la survie ou la reproduction du virus ; au lieu de cela, c' tait un passager, un g ne appel v-Src, que le virus avait attrap lors de ses voyages. v- Src tait indubitablement similaire, mais pas identique, un g ne c-Src qui a t d couvert dans le g nome normal des vert br s. De toute vidence, c-Src avait t attrap accidentellement par le r trovirus du g nome d'une cellule h te pr c demment infect e, et il avait subi une mutation au cours du processus pour devenir un oncog ne (v-Src). Cette d couverte r compens e par le prix Nobel a t suivie d'un flot de d couvertes d'autres oncog nes viraux port s par les r trovirus qui causent le cancer chez les animaux non humains. Chacun de ces oncog nes s'est av r avoir un proto-oncog ne homologue dans le g nome normal des vert br s. Comme c' tait le cas pour Src, ces autres oncog nes diff raient g n ralement de leurs homologues normaux, que ce soit par leur structure ou par leur niveau d'expression. Mais quel tait le rapport avec les cancers humains typiques, dont la plupart ne sont pas infectieux et dans lesquels les r trovirus ne jouent aucun r le ? Figure 20 17 Les mutations critiques du cancer se divisent en deux cat gories facilement distinctes : dominante
Biologie moléculaire de la cellule	s et r cessives. Dans ce diagramme, les mutations activatrices sont repr sent es par des cases rouges pleines, les mutations inactivatrices par des cases rouges creuses. (A) Les oncog nes agissent de mani re dominante : une mutation de gain de fonction dans une seule copie du g ne critique pour le cancer peut conduire une cellule vers le cancer. (B) Les mutations dans les g nes suppresseurs de tumeur, en revanche, agissent g n ralement de mani re r cessive : la fonction des deux all les du g ne critique du cancer doit tre perdue pour conduire une cellule vers le cancer. Bien que dans ce sch ma, le deuxi me all le du g ne suppresseur de tumeur soit inactiv par mutation, il est souvent inactiv par la perte du deuxi me chromosome. Ce qui n'est pas d montr , c'est le fait que la mutation de certains g nes suppresseurs de tumeurs peut avoir un effet m me lorsqu'une seule des deux copies du g ne est endommag e. Diff rentes recherches d'oncog nes ont converg vers le m me g ne : ras Pour tenter de r pondre la question ci-dessus, d'autres chercheurs ont recherch directement des oncog nes dans les g nomes des cellules canc reuses humaines. Ils l'ont fait en recherchant des fragments d'ADN de cellules canc reuses qui pourraient provoquer une prolif ration incontr l e lorsqu'ils sont introduits dans des lign es cellulaires non canc reuses. Comme cellules testeuses pour l'essai, des lign es cellulaires d riv es de fibroblastes de souris ont t utilis es. Ces cellules avaient d j t s lectionn es pour leur capacit prolif rer ind finiment en culture, et on pense qu'elles contiennent d j des alt rations qui les am nent en partie vers la malignit . Pour cette raison, l'ajout d'un seul oncog ne peut parfois suffire produire un effet spectaculaire. Lorsque l'ADN a t extrait des cellules tumorales humaines, bris en fragments et introduit dans les cellules cultiv es, des colonies occasionnelles de cellules anormalement prolif rantes ont commenc appara tre dans la bo te de culture. Ces cellules ont montr un ph notype transform , d passant les cellules non transform es dans la culture et l'empilement couche apr s couche (voir figure 20 11). Chaque colonie tait un clone provenant d'une seule cellule qui avait incorpor un fragment d'ADN qui tait l'origine d'un comportement canc reux. Ce fragment, qui portait des marqueurs de son origine humaine, a pu tre isol des cellules de souris cultiv es transform es. Et une fois isol et s quenc , il pouvait tre reconnu : il contenait une version humaine d'un g ne d j connu gr ce l' tude d'un r trovirus qui provoquait des tumeurs chez le rat un oncog ne appel v-Ras. L'oncog ne nouvellement d couvert tait clairement d riv par mutation d'un g ne humain normal, l'un d'une petite famille de proto-oncog nes appel e Ras. Cette d couverte, au d but des ann es 1980, du m me oncog ne dans des cellules tumorales humaines et dans un virus tumoral animal tait lectrisante. L'implication que les cancers sont caus s par des mutations dans un nombre limit de g nes critiques pour le cancer a transform notre compr hension de la biologie mol culaire du cancer. Comme nous l'avons vu au chapitre 15, les prot ines Ras normales sont des GTPases monom res qui aident transmettre des signaux des r cepteurs de surface cellulaire l'int rieur de la cellule (voir la vid o 15.7). Les oncog nes Ras isol s de tumeurs humaines contiennent des mutations ponctuelles qui cr ent une prot ine Ras hyperactive qui ne peut pas se d sactiver en hydrolysant son GTP li au GDP. Parce que cela rend la prot ine hyperactive, son effet est dominant, c'est- -dire qu'une seule des deux copies du g ne de la cellule doit changer pour avoir un effet. L'un ou l'autre des trois membres humains de la famille Ras est mut dans peut- tre 30% de tous les cancers humains. Les g nes Ras sont donc parmi les plus importants de tous les g nes critiques pour le cancer. La figure 20 18 r sume les types d'accidents qui peuvent convertir un proto-oncog ne en oncog ne. (1) Un petit changement dans la s quence d'ADN tel qu'un point Figure 20 18 Types d'accidents qui peuvent convertir un proto-oncog ne en oncog ne. La liaison du domaine extracellulaire du facteur de croissance du r cepteur d clenche la mutation ou la d l tion de la signalisation intracellulaire peut produire une prot ine hyperactive lorsqu'elle se produit dans une s quence codant pour une prot ine, ou conduire une surproduction de prot ines lorsqu'elle se produit dans une r gion r gulatrice de ce g ne. (2) Les v nements d'amplification g nique, tels que ceux qui peuvent tre caus s par des erreurs dans la r plication de l'ADN, peuvent produire des copies de g nes suppl mentaires ; Cela peut entra ner une surproduction de prot ines. (3) Un r arrangement chromosomique impliquant la rupture et la r union de l'h lice d'ADN peut soit modifier la r gion codant pour la prot ine, entra nant une prot ine de fusion hyperactive, soit modifier le
Biologie moléculaire de la cellule	s r gions de contr le d'un g ne de sorte qu'une prot ine normale est surproduite. titre d'exemple, le r cepteur du facteur de croissance pidermique (EGF), une prot ine signal extracellulaire, peut tre activ par une d l tion qui supprime une partie de son domaine extracellulaire, ce qui le rend actif m me en l'absence d'EGF (Figure 20 19). Il produit ainsi un signal de stimulation inappropri , comme une sonnette d fectueuse qui sonne m me lorsque personne n'appuie sur le bouton. Des mutations de ce type sont fr quemment trouv es dans le type le plus courant de tumeur c r brale humaine, appel glioblastome. Autre exemple, la prot ine Myc, qui agit dans le noyau pour stimuler la croissance et la division cellulaires (voir chapitre 17), contribue g n ralement au cancer en tant surproduite sous sa forme normale. Dans certains cas, le g ne est amplifi , c'est- -dire que les erreurs de r plication de l'ADN conduisent la cr ation d'un grand nombre de copies de g nes dans une seule cellule. Ou une mutation ponctuelle peut stabiliser la prot ine, qui se retourne normalement tr s rapidement. Plus fr quemment, la surproduction semble tre due un changement d'un l ment r gulateur qui agit sur le g ne. Par exemple, une translocation chromosomique peut apporter de mani re inappropri e de puissantes s quences r gulatrices de g nes c t de la s quence codant pour la prot ine Myc, de sorte de produire des quantit s inhabituellement importantes d'ARNm de Myc. Ainsi, dans le lymphome de Burkitt, une translocation place le g ne Myc sous le contr le de s quences qui entra nent normalement l'expression des g nes d'anticorps dans les lymphocytes B. En cons quence, les lymphocytes B mutants ont tendance prolif rer excessivement et former une tumeur. Diff rentes translocations chromosomiques sp cifiques sont courantes dans d'autres cancers. Des tudes sur des syndromes de cancer h r ditaire rares ont permis d'identifier pour la premi re fois des g nes suppresseurs de tumeurs L'identification d'un g ne inactiv dans le g nome d'une cellule canc reuse n cessite une strat gie diff rente de celle de la recherche d'un g ne devenu hyperactif : on ne peut pas, par exemple, utiliser un test de transformation cellulaire pour identifier quelque chose qui n'existe tout simplement pas. L'id e cl qui a conduit la d couverte du premier g ne suppresseur de tumeur provient d' tudes sur un type rare de cancer humain, le r tinoblastome, qui provient de cellules de la r tine de l' il qui sont converties en un tat canc reux par un nombre inhabituellement faible de mutations. Comme cela arrive souvent en biologie, la d couverte est survenue la suite de l'examen d'un cas particulier, mais elle s'est av r e r v ler un g ne d'une grande importance. Le r tinoblastome survient dans l'enfance et les tumeurs se d veloppent partir de cellules pr curseurs neurales dans la r tine immature. Environ un enfant sur 20 000 est touch . Une forme de la maladie est h r ditaire, et l'autre ne l'est pas. Sous la forme h r ditaire, Figure 20 19 La mutation du r cepteur du facteur de croissance pidermique (EGF) peut le rendre actif m me en l'absence d'EGF, et par cons quent oncog ne. Un seul des types possibles de mutations activatrices est illustr ici. INDIVIDU NORMAL ET EN BONNE SANT R TINOBLASTOME H R DITAIRE R TINOBLASTOME NON H R DITAIRE cellule occasionnelle inactive l'un de ses deux bons g nes Rb prolif ration cellulaire excessive conduisant au r tinoblastome Prolif ration cellulaire excessive conduisant au r tinoblastome R SULTAT : LA PLUPART DES PERSONNES ATTEINTES D'H R DIT R SULTAT : SEULEMENT ENVIRON 1 SUR 30 000 R SULTAT : PAS DE TUMEUR Les tumeurs multiples apparaissent g n ralement ind pendamment, affectant les deux yeux ; Dans la forme non h r ditaire, un seul il est touch , et par une seule tumeur. Quelques individus atteints de r tinoblastome ont un caryotype visiblement anormal, avec une d l tion d'une bande sp cifique sur le chromosome 13 qui, si elle est h r ditaire, pr dispose un individu la maladie. Des d l tions de cette m me r gion sont galement rencontr es dans les cellules tumorales de certains patients atteints de la maladie non h r ditaire, ce qui sugg re que le cancer a t caus par la perte d'un g ne critique cet endroit. En utilisant l'emplacement de cette d l tion chromosomique, il a t possible de cloner et de s quencer le g ne Rb. Il a ensuite t d couvert que les personnes atteintes de la forme h r ditaire de la maladie ont une mutation de d l tion ou de perte de fonction pr sente dans une copie du g ne Rb dans chaque cellule somatique. Ces cellules sont pr dispos es devenir canc reuses, mais ne le font pas si elles conservent une bonne copie du g ne. Les cellules r tiniennes canc reuses sont d fectueuses dans les deux copies de Rb en raison d'un v nement somatique qui a limin la fonction de la copie pr c demment bonne. Chez les patients atteints de la forme non h r ditaire de la maladie
Biologie moléculaire de la cellule	, en revanche, les cellules non canc reuses ne pr sentent aucun d faut dans l'une ou l'autre copie de Rb, tandis que les cellules canc reuses sont devenues d fectueuses dans les deux copies. Ces r tinoblastomes non h r ditaires sont tr s rares car ils n cessitent deux v nements ind pendants qui inactivent le m me g ne sur deux chromosomes d'une seule lign e cellulaire r tinienne (Figure 20 20). Le g ne Rb est galement absent dans plusieurs types courants de cancer sporadique, notamment les carcinomes du poumon, du sein et de la vessie. Ces cancers plus courants r sultent d'une s rie plus complexe de changements g n tiques que le r tinoblastome, et ils apparaissent beaucoup plus tard dans la vie. Mais dans tous, il semble que la perte de la fonction Rb soit souvent une tape majeure dans la progression vers la malignit . Le g ne Rb code pour la prot ine Rb, qui est un r gulateur universel du cycle cellulaire pr sent dans presque toutes les cellules du corps (voir Figure 17 61). Il agit comme l'un des principaux freins la progression dans le cycle de division cellulaire, et sa perte peut permettre aux cellules d'entrer dans le cycle cellulaire de mani re inappropri e, comme nous le verrons plus loin. Pour les g nes suppresseurs de tumeurs, c'est leur inactivation qui est dangereuse. Cette inactivation peut se produire de plusieurs fa ons, avec diff rentes combinaisons d'incidents servant liminer ou paralyser les deux copies de g nes. Le premier La copie peut, par exemple, tre perdue par une petite d l tion chromosomique ou inactiv e par une mutation ponctuelle. La seconde copie est g n ralement limin e par un m canisme moins sp cifique et plus probable : Figure 20 20 Les m canismes g n tiques l'origine du r tinoblastome. Dans la forme h r ditaire, toutes les cellules du corps n'ont pas l'une des deux copies fonctionnelles normales du g ne suppresseur de tumeur Rb, et les tumeurs se produisent o la copie restante est perdue ou inactiv e par un v nement somatique (mutation ou silen age pig n tique). Dans la forme non h r ditaire, toutes les cellules contiennent initialement deux copies fonctionnelles du g ne, et la tumeur appara t parce que les deux copies sont perdues ou inactiv es par la co ncidence de deux v nements somatiques dans une seule lign e de cellules. le chromosome portant la copie normale restante peut tre perdu de la cellule en raison d'erreurs de s gr gation chromosomique ; ou le g ne normal, ainsi que le mat riel g n tique voisin, peut tre remplac par une version mutante soit par un v nement de recombinaison mitotique, soit par une conversion g nique qui l'accompagne (voir p. 286). La figure 20-21 r sume l' ventail des fa ons dont la bonne copie restante d'un g ne suppresseur de tumeur peut tre perdue par un changement de s quence d'ADN, en utilisant le g ne Rb comme exemple. Il est important de noter que, l'exception du m canisme de mutation ponctuelle illustr l'extr me droite, ces voies produisent toutes des cellules qui ne portent qu'un seul type de s quence d'ADN dans la r gion chromosomique contenant leurs g nes Rb une s quence identique la s quence du chromosome mutant d'origine. Les modifications pig n tiques constituent un autre moyen important d'inactiver de fa on permanente un g ne suppresseur de tumeur. Le plus souvent, le g ne peut tre emball dans l'h t rochromatine et/ou les nucl otides C dans les s quences CG de son promoteur peuvent tre m thyl s de mani re h r ditaire (voir pp. 404-405). Ces m canismes peuvent faire taire de mani re irr versible le g ne dans une cellule et dans toute sa descendance. L'analyse des mod les de m thylation dans les g nomes canc reux montre que le silen age g nique pig n tique est un v nement fr quent dans la progression tumorale, et on pense maintenant que les m canismes pig n tiques aident inactiver plusieurs g nes suppresseurs de tumeurs diff rents dans la plupart des cancers humains (Figure 20-22). Le s quen age syst matique des g nomes des cellules canc reuses a transform notre compr hension de la maladie Des m thodes telles que celles que nous avons d crites ci-dessus ont mis en lumi re un ensemble de g nes critiques qui ont t identifi s de mani re fragmentaire. Pendant ce temps, le reste du g nome des cellules canc reuses restait dans l'obscurit : c' tait un myst re de savoir combien d'autres mutations pouvaient s'y cacher, de quels types, dans quelles vari t s de cancer, quelles fr quences, avec quelles variations d'un patient l'autre, et avec quelles cons quences. Avec le s quen age du g nome humain et les progr s spectaculaires de la technologie de s quen age de l'ADN (voir panneau 8-1, pp. 478-481), il est devenu possible d'avoir une vue d'ensemble - de voir les g nomes des cellules canc reuses dans leur int gralit . Cela transforme notre compr hension de la maladie. Les g nomes des cellules canc reuses peuvent tre scann s syst matiquement de plusieurs mani res diff rentes. un ex
Biologie moléculaire de la cellule	tr me, le plus co teux, mais qui n'est plus prohibitif, il est possible de d terminer la s quence compl te du g nome d'une tumeur. moindre co t, on peut se concentrer uniquement sur les quelque 21 000 g nes du g nome humain qui codent pour la prot ine (ce qu'on appelle l'exome), la recherche de mutations dans l'ADN des cellules canc reuses qui modifient la s quence d'acides amin s du produit ou emp chent sa synth se (Figure 20-23). Il existe galement des techniques efficaces pour tudier le g nome des r gions qui ont subi Figure 20 21 Six fa ons de perdre la bonne copie restante d'un g ne suppresseur de tumeur par une modification des s quences d'ADN. Une cellule qui n'est d fectueuse que dans l'une de ses deux copies d'un g ne suppresseur de tumeur par exemple, le g ne Rb se comporte g n ralement comme une cellule normale et saine ; Les diagrammes ci-dessous montrent comment cette cellule peut galement perdre la fonction de la copie de l'autre g ne et ainsi progresser vers le cancer. Une septi me possibilit , fr quemment rencontr e avec certains suppresseurs de tumeurs, est que le g ne peut tre r duit au silence par un changement pig n tique, sans alt ration de la s quence d'ADN, comme illustr sur les figures 20-22. (Apr s W.K. Cavenee et al., Nature 305:779-784, 1983. Avec l'autorisation de Macmillan Publishers Ltd.) suppression ou duplication, sans qu'il soit n cessaire de disposer d'informations compl tes sur la s quence. Le g nome peut tre analys la recherche de changements pig n tiques. Enfin, les alt rations des niveaux d'expression g nique peuvent tre syst matiquement d termin es par l'analyse des ARNm (voir Figure 7-3). Ces approches consistent g n ralement comparer des cellules canc reuses avec des t moins normaux, id alement des cellules non canc reuses provenant du m me tissu et du m me patient. Figure 20 22 Les voies conduisant la perte de la fonction du g ne suppresseur de tumeur dans le cancer impliquent la fois des changements g n tiques et pig n tiques. (A) Comme indiqu , les changements qui r duisent au silence les g nes suppresseurs de tumeurs peuvent se produire dans n'importe quel ordre. La m thylation de l'ADN et l'empaquetage d'un g ne dans la chromatine condens e peuvent emp cher son expression d'une mani re h rit e lorsqu'une cellule se divise (voir Figure 4-44). (B) La fr quence du silen age g nique par hyperm thylation observ e dans quatre types diff rents de cancer. Les cinq g nes num r s en haut peuvent tous fonctionner comme des g nes suppresseurs de tumeurs ; BRCA1 et hMLH1 affectent la stabilit du g nome et font partie de la sous-classe connue sous le nom de g nes de maintien du g nome. ND, pas de donn es. (Adapt de M. Esteller et al., Cancer Res. 61:3225 3229, 2001.) Figure 20 23 Les diff rents types de modifications de la s quence d'ADN trouv es dans les oncog nes par rapport aux g nes suppresseurs de tumeurs. Dans ce diagramme, les mutations qui modifient un acide amin sont d sign es par des pointes de fl ches bleues, tandis que les mutations qui tronquent la cha ne polypeptidique sont marqu es par des pointes de fl ches jaunes. (A) Comme dans cet exemple, les mutations oncog nes peuvent tre d tect es par le fait que le m me changement nucl otidique est trouv plusieurs reprises parmi les mutations faux-sens d'un g ne. (B) Pour les g nes suppresseurs de tumeur, en revanche, les mutations faux-sens qui interrompent la synth se des prot ines en cr ant des codons d'arr t pr dominent. (Adapt de B. Vogelstein et al., Science 339:1546-1558, 2013.) alt rations chromosomiques trouv es dans la tumeur primaire particuli re. Comme indiqu , les lignes violettes relient les sites o deux chromosomes diff rents se sont joints pour cr er un r arrangement interchromosomique, tandis que les lignes vertes relient les sites de r arrangements trouv s dans un seul chromosome. Les r arrangements intrachromosomiques peuvent tre vus comme pr dominants, et la plupart rejoignent des sections voisines de l'ADN qui taient l'origine situ es moins de 2 millions de paires de nucl otides les unes des autres. L'augmentation du nombre de copies, G NES CRITIQUES DU CANCER : comment ils sont trouv s et o ils le font L'analyse du g nome du cancer r v le, tout d'abord, l'ampleur de la perturbation g n tique grossi re dans les cellules canc reuses. Cela varie consid rablement d'un type de cancer et d'un patient atteint d'un cancer l'autre, tant en termes de gravit que de caract re. Dans certains cas, le caryotype l'ensemble des chromosomes tels qu'ils apparaissent la mitose est normal ou presque, mais de nombreuses mutations ponctuelles sont d tect es dans des g nes individuels, sugg rant une d faillance des m canismes de r paration qui corrigent normalement les erreurs locales dans la r plication ou le maintien des s quences d'ADN. Souvent, cependant, le caryotype est gravement d sordonn , avec de nombreuses cassures et r arrangements chromosomiques. Dan
Biologie moléculaire de la cellule	s certains cancers du sein, par exemple, le s quen age du g nome r v le une sc ne tonnante de chaos g n tique (Figure 20-24), avec des centaines de cassures et de translocations chromosomiques, entra nant de nombreuses d l tions, duplications et amplifications de parties du g nome. Dans de telles cellules, la machinerie normale pour viter ou r parer les cassures double brin de l'ADN est manifestement d fectueuse, d stabilisant le g nome en donnant naissance des chromosomes bris s dont les fragments se rejoignent ensuite dans des combinaisons al atoires. Du mod le des changements, on peut d duire que ce processus perturbateur s'est produit plusieurs reprises au cours de l' volution de la tumeur, avec une augmentation progressive des troubles g n tiques. Les cancers du sein pr sentant la d saffection chromosomique la plus extr me sont g n ralement difficiles traiter et ont un pronostic sombre. Une enqu te portant sur plus de 3000 chantillons de cancer individuels a montr qu'en moyenne, 24 blocs distincts de mat riel g n tique ont t dupliqu s dans chaque tumeur, ce qui repr sente 17% du g nome normal, et 18 blocs ont t supprim s, soit 16% du g nome normal. Beaucoup de ces changements ont t trouv s plusieurs reprises, sugg rant qu'ils contiennent des g nes critiques pour le cancer dont la perte (g nes suppresseurs de tumeur) ou le gain (oncog nes) conf re un avantage s lectif. L'analyse du g nome entier permet galement d'expliquer certains cancers qui semblent, premi re vue, tre des exceptions aux r gles g n rales. Un exemple est le r tinoblastome, qui appara t t t pendant l'enfance. Si les cancers en g n ral n cessitent une accumulation de nombreux changements g n tiques et sont donc des maladies de vieillesse, qu'est-ce qui diff rencie le r tinoblastome ? Le s quen age du g nome entier confirme que dans le r tinoblastome, les cellules tumorales contiennent des mutations de perte de fonction dans le g ne Rb ; Mais, tonnamment, ils ne contiennent pratiquement aucune mutation ou r arrangement du g nome qui affecte tout autre oncog ne ou g ne suppresseur de tumeur. Au lieu de cela, ils contiennent de nombreuses modifications pig n tiques, qui modifient le niveau d'expression de nombreux g nes critiques connus pour le cancer jusqu' 15 dans un cas bien analys . De nombreuses mutations dans les cellules tumorales ne sont que des passagers Les cellules canc reuses contiennent g n ralement de nombreuses mutations en plus des anomalies chromosomiques macroscopiques : les mutations ponctuelles peuvent tre dispers es dans l'ensemble du g nome un taux d'environ une par million de paires de nucl otides, en plus des anomalies Figure 20 24 Les r arrangements chromosomiques dans les cellules canc reuses du sein. Les r sultats d'une analyse approfondie du s quen age de l'ADN effectu e sur deux tumeurs primaires diff rentes sont affich s sous forme de diagrammes de Circos . Dans chaque graphique, les s quences d'ADN de r f rence des 22 autosomes et du chromosome unisexe (X) d'une femme humaine normale (3,2 milliards de paires de nucl otides) sont align es bout bout pour former un cercle. Des lignes color es l'int rieur du cercle sont ensuite utilis es pour indiquer en bleu, r v ler les s quences d'ADN amplifi es (voir les r gions fortement amplifi es indiqu es). (Adapt de P.J. Stephens et CANCER DU SEIN 1 CANCER DU SEIN 2 al., Nature 462:1005 1010, 2009.) attribu la rupture et la r union des chromosomes. Des tudes syst matiques des g nes codant pour la prot ine dans les tumeurs solides courantes, telles que celles du sein, du c lon, du cerveau ou du pancr as, ont r v l qu'en moyenne 33 66 g nes ont subi une mutation somatique affectant la s quence de leur produit prot ique. Les mutations dans les r gions non codantes du g nome sont beaucoup plus nombreuses, comme on pourrait s'y attendre de la fraction beaucoup plus grande du g nome que repr sente l'ADN non codant. Mais ils sont beaucoup plus difficiles interpr ter. La fr quence lev e des mutations t moigne de l'instabilit g n tique de nombreuses cellules canc reuses, mais elle nous laisse face un probl me difficile. Comment pouvons-nous d couvrir quelles mutations sont des facteurs moteurs du cancer c'est- -dire des facteurs causaux dans le d veloppement de la maladie et lesquelles ne sont que des passag res des mutations qui se trouvent tre apparues dans la m me cellule que les mutations conductrices, gr ce l'instabilit g n tique, mais qui ne sont pas pertinentes pour le d veloppement de la maladie ? Un crit re simple est bas sur la fr quence d'occurrence. Les mutations conductrices affectant un g ne qui joue un r le dans la maladie seront observ es plusieurs reprises, chez de nombreux patients diff rents. En revanche, il est peu probable que les mutations passag res, survenant des endroits plus ou moins al atoires du g nome et ne conf rant aucun avantage s lectif la cellule canc reuse, soient trouv
Biologie moléculaire de la cellule	es dans les m mes g nes chez diff rents patients. La figure 20-25 montre les r sultats d'une analyse de ce type pour un grand chantillon de cancers colorectaux. Les diff rents sites du g nome sont dispos s sur un r seau bidimensionnel, avec le num ro de s rie du chromosome le long d'un axe et la position l'int rieur de chaque chromosome le long de l'autre. La fr quence laquelle les mutations sont rencontr es est indiqu e par la hauteur au-dessus de ce plan, cr ant un paysage de mutations avec des montagnes (sites o les mutations se trouvent dans une grande partie des tumeurs de l' chantillon), des collines (o les mutations sont trouv es moins fr quemment mais toujours plus souvent que ce que l'on pourrait attendre d'une diffusion al atoire sur le g nome), et les buttes (sites de mutations occasionnelles, se produisant une fr quence pas plus lev e que celle attendue pour des mutations dispers es au hasard dans chaque tumeur individuelle). Les montagnes et les collines sont de bons candidats pour tre les sites de mutations conductrices en d'autres termes, les sites de g nes critiques pour le cancer ; Les buttes sont susceptibles de correspondre des passagers. En effet, de nombreuses montagnes et collines s'av rent tre des sites d'oncog nes connus ou de g nes suppresseurs de tumeurs, tandis que les buttes correspondent principalement des g nes qui n'ont aucun r le connu ou probable dans la causalit du cancer. Bien s r, certains hillocks peuvent correspondre des g nes qui ne sont mut s que chez quelques rares patients, mais qui sont n anmoins critiques pour le cancer. eux. Environ un pour cent des g nes du g nome humain sont critiques pour le cancer D'apr s des tudes telles que celle que nous venons de d crire, on estime que le nombre de mutations motrices pour un cas individuel de cancer (la somme des changements pig n tiques et g n tiques significatifs dans les s quences codantes et les r gions r gulatrices) est g n ralement de l'ordre de 10, ce qui explique pourquoi la progression du cancer implique g n ralement une augmentation de l'instabilit g n tique et/ou pig n tique qui augmente le taux de ces changements. Figure 20 25 Le paysage des mutations dans le cancer colorectal. Dans cette repr sentation bidimensionnelle du g nome humain, la surface verte repr sente les 22 autosomes humains plus le chromosome sexuel X comme tant dispos s c te c te dans l'ordre num rique de gauche droite, la s quence d'ADN de chaque chromosome allant de l'arri re vers l'avant. Les montagnes repr sentent les emplacements des g nes mut s haute fr quence dans diff rentes tumeurs ind pendantes. Comme indiqu , il s'agit de mutations suspect es dans les prot ines de polypose ad nomateuse colique (APC), K-Ras, p53, phosphoinositide 3-kinase (PIK3CA) et ubiquitine ligase (FBXW7). (Adapt de L.D. Wood et al., Science 318:1108-1113, 2007.) En compilant les donn es pour diff rents types de cancer, chacun avec sa propre gamme de mutations motrices identifi es, nous pouvons d velopper un catalogue complet de g nes fortement suspect s d' tre critiques pour le cancer. Selon les estimations actuelles, le nombre total de ces g nes s' l ve environ 300, soit environ 1% des g nes du g nome humain. Ces g nes critiques pour le cancer sont tonnamment diversifi s. Leurs produits comprennent des prot ines signaux s cr t es, des r cepteurs transmembranaires, des prot ines de liaison au GTP, des prot ines kinases, des r gulateurs de transcription, des modificateurs de la chromatine, des enzymes de r paration de l'ADN, des mol cules d'adh sion cellule-cellule, des contr leurs de cycle cellulaire, des r gulateurs d'apoptose, des prot ines d' chafaudage, des enzymes m taboliques, des composants de la machinerie d' pissage de l'ARN, et bien d'autres encore. Tous ces l ments sont susceptibles de subir des mutations qui peuvent contribuer, d'une mani re ou d'une autre, dans un tissu ou un autre, l' volution des cellules aux propri t s canc reuses que nous avons num r es plus haut la page 1103. De toute vidence, les changements mol culaires qui causent le cancer sont complexes. Comme nous l'expliquons maintenant, cependant, la complexit n'est pas aussi intimidante qu'il n'y para t au premier abord. Les perturbations dans une poign e de voies cl s sont communes de nombreux cancers Certains g nes, comme Rb et Ras, sont mut s dans de nombreux cas de cancer et dans de nombreux types de cancers. L'implication de g nes tels que Rb et Ras dans le cancer n'est pas surprenante, maintenant que nous comprenons leurs fonctions normales : ils contr lent les processus fondamentaux de division et de croissance cellulaires. Mais m me ces coupables communs apparaissent dans beaucoup moins de la moiti des cas individuels. Qu'arrive-t-il au contr le de ces processus dans les nombreux cas de cancer o , par exemple, Rb est intact ou Ras n'est pas mut ? Quel r le les mutations dans les centaines d'autres g nes critiques du c
Biologie moléculaire de la cellule	ancer jouent-elles dans le d veloppement de la maladie ? Avec notre connaissance croissante des fonctions normales des g nes dans le g nome humain, il devient plus facile de voir des mod les dans les mutations pilotes catalogu es et de donner des r ponses simplificatrices ces questions. Le glioblastome, le type le plus courant de tumeur c r brale humaine, en est un bon exemple. L'analyse des g nomes des cellules tumorales de 91 patients a identifi un total d'au moins 79 g nes mut s chez plus d'un individu. Les fonctions normales de la plupart de ces g nes taient connues ou pouvaient tre devin es, ce qui leur a permis d' tre attribu s des voies biochimiques ou r gulatrices sp cifiques. Trois groupes fonctionnels se sont d marqu s, repr sentant un total de 21 des g nes mut s de mani re r currente. L'un de ces regroupements tait constitu de g nes de la voie Rb (c'est- -dire Rb lui-m me, ainsi que de g nes qui r gulent directement Rb) ; Cette voie r git l'initiation du cycle de division cellulaire. Un autre tait constitu de g nes dans le m me sous-r seau r gulateur que Ras - un syst me de g nes plus vaguement d fini appel la voie RTK/Ras/PI3K, d'apr s trois de ses composants principaux ; Cette voie sert transmettre des signaux pour la croissance cellulaire et la division cellulaire de l'ext rieur de la cellule au c ur de la cellule. Le troisi me groupe tait constitu de g nes dans une voie r gulant les r ponses au stress et aux dommages l'ADN la voie p53. Nous en dirons plus sur chacune de ces voies sous. Sur toutes les tumeurs, 74% pr sentaient des mutations identifiables dans les trois voies. Si l'on remontait plus en amont de ces trois voies et que l'on incluait toutes les composantes, connues et inconnues, dont elles d pendent, ce pourcentage serait presque certainement encore plus lev . En d'autres termes, dans presque tous les cas de glioblastome, il existe des mutations qui perturbent chacun des trois contr les fondamentaux : le contr le de la croissance cellulaire, le contr le de la division cellulaire et le contr le des r ponses au stress et aux dommages l'ADN. Il est frappant de constater que dans n'importe quel clone de cellule tumorale, il y a une forte tendance ne pas muter plus d'un g ne dans chaque voie. De toute vidence, ce qui compte pour l' volution tumorale, c'est la perturbation du m canisme de contr le, et non les moyens g n tiques par lesquels cela est r alis . Ainsi, par exemple, chez un patient dont les cellules tumorales n'ont pas de mutation dans Rb lui-m me, il y a g n ralement une mutation dans un autre composant de la voie Rb, produisant un effet biologique similaire. Des tendances similaires sont observ es dans d'autres types de cancers. Une enqu te sur de nombreux chantillons de la principale vari t de cancer de l'ovaire, par exemple, a identifi 67% des patientes comme ayant des mutations dans la voie Rb, 45% dans la voie Ras/PI3K (d finie de mani re plus troite que dans l' tude du glioblastome) et plus de 96% dans la voie p53. En tenant compte d' l ments de voie suppl mentaires non inclus dans l'analyse, il semble que la plupart des cas de ce type de cancer pr sentent galement des mutations perturbant les trois m mes contr les, conduisant une croissance cellulaire mal r gul e, une prolif ration cellulaire mal r gul e et un m pris anormal du stress et des dommages l'ADN. Il semble que ces trois contr les fondamentaux soient subvertis d'une mani re ou d'une autre dans pratiquement tous les types de cancer. Nous avons consacr un chapitre entier au cycle cellulaire et aux contr les de croissance (chapitre 17). Certains d tails importants des deux autres voies de contr le sont examin s ci-dessous. Les mutations de la voie PI3K/Akt/mTOR favorisent la croissance des cellules canc reuses La prolif ration cellulaire n'est pas simplement une question de progression dans le cycle cellulaire ; Elle n cessite galement une croissance cellulaire, qui implique des processus anaboliques complexes par lesquels la cellule synth tise toutes les macromol cules n cessaires partir de pr curseurs de petites mol cules. Si une cellule se divise de mani re inappropri e sans cro tre au pr alable, elle deviendra plus petite chaque division et finira par mourir ou devenir trop petite pour se diviser. Les cellules semblent avoir besoin de deux signaux distincts pour cro tre et se diviser (Figure 20 26). Le cancer d pend donc non seulement d'une perte de contraintes sur la progression du cycle cellulaire, mais aussi d'un contr le perturb de la croissance cellulaire. La voie de signalisation intracellulaire phosphoinositide 3-kinase (PI 3-kinase)/Akt/mTOR est essentielle pour le contr le de la croissance cellulaire. Comme d crit au chapitre 15, diverses prot ines de signal extracellulaires, y compris l'insuline et les facteurs de croissance analogues l'insuline, Figure 20 26 Les cellules semblent avoir besoin de deux types de signaux pour prolif rer. (A) A
Biologie moléculaire de la cellule	fin de se multiplier avec succ s, la plupart des cellules normales sont soup onn es d'avoir besoin la fois de signaux extracellulaires qui entra nent la progression du cycle cellulaire (repr sent s ici par le mitog ne bleu) et de signaux extracellulaires qui stimulent la croissance cellulaire (illustr s ici par le facteur de croissance rouge). la fa on dont les mitog nes activent la voie Rb pour favoriser l'entr e dans le cycle cellulaire est d crite dans la figure 17-61. (B) Sch ma du syst me de signalisation contenant Akt qui stimule la croissance cellulaire en stimulant consid rablement l'absorption et l'utilisation du glucose, y compris une conversion de l'exc s d'acide citrique produit partir d'interm diaires de sucre dans les mitochondries en ac tyl CoA qui est n cessaire dans le cytosol pour la synth se des lipides et la production de nouvelles membranes. Comme indiqu , la synth se des prot ines est galement augment e. Ce syst me s'active anormalement au d but de la progression tumorale. Le cycle TCA indique le cycle de l'acide tricarboxylique (cycle de l'acide citrique). Activez normalement cette voie. Dans les cellules canc reuses, cependant, la voie est activ e par mutation afin que la cellule puisse se d velopper en l'absence de tels signaux. L'activation anormale des prot ines kinases Akt et mTOR qui en r sulte stimule non seulement la synth se des prot ines (voir Figure 17 64), mais augmente galement consid rablement le glucose l'absorption et la production de l'ac tyl-CoA dans le cytosol n cessaire la synth se des lipides cellulaires, comme le montrent les figures 20 26B. L'activation anormale de la voie PI 3-kinase/Akt/mTOR, qui se produit normalement au d but du processus de progression tumorale, contribue expliquer le taux excessif de glycolyse observ dans les cellules tumorales, connu sous le nom d'effet Warburg, comme nous l'avons vu pr c demment (voir Figure 20-12). Comme pr vu dans notre discussion pr c dente, les cancers peuvent activer cette voie de diff rentes mani res. Ainsi, par exemple, un r cepteur de facteur de croissance peut tre activ anormalement, comme le montre la figure 20-19. La perte de la phosphatase PTEN, une enzyme qui supprime normalement la voie PI 3-kinase/Akt/mTOR en d phosphorylant les mol cules PI (3,4,5) P3 que la PI 3-kinase forme (voir pp. 859-861) est galement tr s fr quente dans les cancers (voir pp. 859-861). PTEN est donc un g ne suppresseur de tumeur courant. Bien s r, la mutation n'est pas le seul moyen de suractiver la voie : des niveaux lev s d'insuline dans la circulation peuvent avoir un effet similaire. Cela peut expliquer pourquoi le risque de cancer est consid rablement augment , d'un facteur de deux ou plus, chez les personnes ob ses ou atteintes de diab te de type 2. Leurs niveaux d'insuline sont anormalement lev s, entra nant la croissance des cellules canc reuses sans qu'il soit n cessaire de mutation dans la voie PI 3-kinase/Akt/mTOR. Les mutations de la voie p53 permettent aux cellules canc reuses de survivre et de prolif rer malgr le stress et les dommages l'ADN Il est vident que les cellules canc reuses doivent enfreindre les r gles normales r gissant la croissance et la division cellulaires : cela fait partie de la d finition du cancer. Il n'est pas si vident pourquoi les cellules canc reuses devraient galement tre anormales dans leur r ponse au stress et aux dommages l'ADN, et pourtant c'est aussi une caract ristique presque universelle. Le g ne qui se trouve au centre de cette r ponse, le g ne p53, est mut dans environ 50% de tous les cas de cancer une proportion plus lev e que pour tout autre g ne critique connu du cancer. Lorsque nous incluons avec p53 les autres g nes qui sont troitement impliqu s dans sa fonction, nous constatons que la plupart des cas de cancer h bergent des mutations dans la voie p53. Pourquoi en serait-il ainsi ? Pour y r pondre, nous devons d'abord consid rer la fonction normale de cette voie. Contrairement Rb, la plupart des cellules du corps ont tr s peu de prot ine p53 dans des conditions normales : bien que la prot ine soit synth tis e, elle se d grade rapidement. De plus, p53 n'est pas essentiel au d veloppement normal. Les souris chez lesquelles les deux copies du g ne ont t supprim es ou inactiv es semblent g n ralement normales tous gards sauf un : elles d veloppent universellement un cancer avant l' ge de 10 mois. Ces observations sugg rent que p53 a une fonction qui n'est n cessaire que dans des circonstances particuli res. En fait, les cellules augmentent leur concentration de prot ine p53 en r ponse toute une s rie de conditions qui n'ont qu'une chose vidente en commun : elles sont, du point de vue de la cellule, pathologiques, mettant la cellule en danger de mort ou de blessure grave. Ces conditions comprennent des dommages l'ADN, mettant la cellule en danger cause d'un g nome d fectueux ; la perte ou le raccourcissement des t lom res (voir p. 10
Biologie moléculaire de la cellule	16), galement dangereux pour l'int grit du g nome ; l'hypoxie, privant la cellule de l'oxyg ne dont elle a besoin pour maintenir son m tabolisme ; le stress osmotique, provoquant le gonflement ou le ratatinement de la cellule ; et le stress oxydatif, g n rant des niveaux dangereux de radicaux libres hautement r actifs. Une autre forme de stress qui peut activer la voie p53 se produit, semble-t-il, lorsque les signaux r gulateurs sont si intenses ou non coordonn s qu'ils poussent la cellule au-del de ses limites normales et dans une zone dangereuse o ses m canismes de contr le et de coordination s'effondrent, comme dans un moteur mal ou trop vite. La concentration de p53 augmente, par exemple, lorsque Myc est surexprim des niveaux oncog nes. Toutes ces circonstances appellent une action d sesp r e, qui peut prendre l'une ou l'autre des deux formes suivantes : la cellule peut bloquer toute progression ult rieure dans le cycle de division afin de prendre le temps de r parer ou de se remettre de l' tat pathologique ; Ou il peut accepter qu'il doit mourir, et le faire d'une mani re qui minimise les dommages l'organisme. Une bonne mort, de ce point de vue, est une mort par apoptose. En apoptose, p53 stable et actif Figure 20 27 Modes d'action du suppresseur de tumeur p53. La prot ine p53 est un capteur de stress cellulaire. En r ponse des signaux hyperprolif ratifs, des dommages l'ADN, l'hypoxie, au raccourcissement des t lom res et divers autres stress, les niveaux de P53 dans la cellule augmentent. Comme indiqu , cela peut soit arr ter le cycle cellulaire d'une mani re qui permet la cellule de s'adapter et de survivre, d clencher le suicide cellulaire par apoptose, ou provoquer une s nescence cellulaire un arr t irr versible du cycle cellulaire qui emp che les cellules endommag es de se diviser. La cellule est phagocyt e par ses voisines et son contenu est recycl efficacement. Une mauvaise mort est une mort par n crose. Dans la n crose, la cellule clate ou se d sint gre et son contenu est d vers dans l'espace extracellulaire, induisant une inflammation. La voie p53 se comporte donc comme une sorte d'antenne, d tectant la pr sence d'un large ventail de conditions dangereuses et, lorsqu'elles sont d tect es, d clenchant une action appropri e soit un arr t temporaire ou permanent du cycle cellulaire (s nescence), soit un suicide par apoptose (Figure 20-27). Ces r ponses servent emp cher les cellules d rang es de prolif rer. Les cellules canc reuses sont en effet g n ralement d rang es, et leur survie et leur prolif ration d pendent donc de l'inactivation de la voie p53. Si la voie p53 tait active en eux, ils seraient stopp s dans leur lan ou mourraient (Vid o 20.4). La prot ine p53 remplit son r le principalement en agissant comme un r gulateur de transcription (voir la vid o 17.8). En effet, les mutations les plus courantes observ es dans p53 dans les tumeurs humaines se trouvent dans son domaine de liaison l'ADN, o elles paralysent la capacit de p53 se lier ses s quences cibles d'ADN. Parce que p53 se lie l'ADN en tant que t tram re, une seule sous-unit mutante au sein d'un complexe t tram rique peut suffire bloquer sa fonction. Ainsi, les mutations de p53 peuvent avoir un effet n gatif dominant, entra nant une perte de fonction de p53 m me lorsque la cellule contient galement une version de type sauvage du g ne. Pour cette raison, contrairement d'autres g nes suppresseurs de tumeurs tels que Rb, le d veloppement du cancer ne n cessite pas toujours que les deux copies de p53 soient limin es. Comme nous l'avons vu au chapitre 17, la prot ine p53 exerce ses effets inhibiteurs sur le cycle cellulaire, en partie du moins, en induisant la transcription de p21, qui code pour une prot ine qui se lie et inhibe les complexes kinases d pendants des cyclines (Cdk) n cessaires la progression dans le cycle cellulaire. En bloquant l'activit kinase de ces complexes Cdk, la prot ine p21 emp che la cellule de progresser travers la phase S et de r pliquer son ADN. Le m canisme par lequel p53 induit l'apoptose comprend la stimulation de l'expression de nombreux g nes pro-apoptotiques, et il sera d crit au chapitre 18. Si la voie p53 est fonctionnelle, une cellule dont l'ADN n'est pas r par cessera de se diviser ou mourra ; elle ne peut pas prolif rer. Les mutations de la voie p53 sont donc g n ralement pr sentes dans les cellules canc reuses pr sentant une instabilit du g nome, c'est- -dire la majorit . Mais d'o provient cette instabilit du g nome ? Ici aussi, les tudes sur le g nome du cancer sont clairantes. Dans les cancers de l'ovaire, par exemple, les cassures chromosomiques, les translocations et les d l tions sont tr s fr quentes, et ces aberrations sont corr l es une fr quence lev e de mutations et de silen age pig n tique dans les g nes n cessaires la r paration des cassures double brin de l'ADN par recombinaison homologue, en particulier Brca
Biologie moléculaire de la cellule	1 et Brca2 (voir pp. 281-282). Dans un sous-ensemble de cancers colorectaux avec des d fauts de r paration des m sappariements de l'ADN, en revanche, on trouve de nombreuses mutations ponctuelles dispers es dans tout le g nome (voir pp. 250-251). Dans les deux types de cancer, le g nome est g n ralement d stabilis , mais diff rents types de mutations peuvent y parvenir. Les cancers des tissus sp cialis s utilisent de nombreuses voies diff rentes pour cibler les voies centrales communes du cancer Les mutations dans les composants cl s de la machinerie qui r gule la croissance, la division et la survie cellulaires, tels que Rb, Ras, PTEN ou p53, ne sont pas le seul moyen de pervertir le contr le de ces processus. Les tissus sp cialis s d pendent d'une vari t de voies, comme nous l'avons vu au chapitre 15, pour relayer les signaux environnementaux la machinerie de contr le centrale, et chaque voie expose les cellules la subversion de diff rentes mani res. Ainsi, dans diff rents cancers, nous pouvons trouver des exemples de mutations conductrices dans pratiquement toutes les principales voies de signalisation par lequel les cellules communiquent au cours du d veloppement et de l'entretien des tissus (voir les chapitres 21 et 22). Dans le glioblastome, par exemple, la plupart des patients pr sentent des mutations dans l'un ou l'autre des r cepteurs tyrosine kinases de surface cellulaire, en particulier le r cepteur EGF mentionn pr c demment (li la voie Ras/PI3K), ce qui sugg re que les cellules partir desquelles le cancer provient sont normalement contr l es par cette voie. Les cellules de la prostate, en revanche, r pondent l'hormone androg ne testost rone, et dans le cancer de la prostate, les composants de la voie de signalisation des r cepteurs aux androg nes (une vari t de signalisation des r cepteurs des hormones nucl aires ; voir chapitre 15) sont souvent mut s. Dans la muqueuse intestinale normale, la signalisation Wnt est essentielle, et les mutations de la voie Wnt sont pr sentes dans la plupart des cancers colorectaux. Les cancers du pancr as pr sentent g n ralement des mutations dans la voie de signalisation du facteur de croissance transformant (TGF ). Des mutations activatrices dans la voie Notch sont pr sentes dans plus de 50 % des leuc mies lympho des aigu s cellules T, et ainsi de suite. Les cellules sont g n ralement r gul es par plusieurs types de signaux externes diff rents qui doivent agir en combinaison, ce qui repr sente un m canisme de contr le s curit int gr e qui prot ge l'organisme dans son ensemble contre le cancer. Ces signaux sont diff rents dans diff rents tissus. Comme on pouvait s'y attendre, les cancers correspondants pr sentent souvent des mutations dans plusieurs voies de signalisation simultan ment. C'est le cas des exemples que nous venons d' num rer, qui pr sentent g n ralement des mutations dans d'autres voies de signalisation en plus de celles que nous avons distingu es. Des tudes utilisant des souris aident d finir les fonctions des g nes critiques du cancer Le test ultime du r le d'un g ne dans le cancer doit provenir d'investigations dans l'organisme intact et mature. L'organisme le plus privil gi pour de telles tudes, en dehors des humains eux-m mes, est la souris. Pour explorer la fonction d'un oncog ne candidat ou d'un g ne suppresseur de tumeur, on peut fabriquer une souris transg nique qui le surexprime ou une souris knock-out qui en est d pourvue. En utilisant les techniques d crites au chapitre 8, on peut concevoir des souris chez lesquelles la mauvaise expression ou la suppression du g ne est limit e un ensemble sp cifique de cellules, ou dans lesquelles l'expression du g ne peut tre activ e volont un moment choisi, ou les deux, pour voir si et comment les tumeurs se d veloppent. De plus, pour suivre la croissance des tumeurs au jour le jour dans l'organisme vivant, les cellules d'int r t peuvent tre marqu es g n tiquement et rendues visibles par l'expression d'un rapporteur fluorescent ou luminescent (Figure 20 28). De cette fa on, on peut commencer clarifier le r le que joue chaque g ne critique du cancer dans l'initiation ou la progression du cancer. Figure 20 28 Surveillance de la croissance tumorale et des m tastases chez une souris avec un rapporteur luminescent. Une souris a t g n tiquement modifi e de mani re ce que les deux copies de son g ne suppresseur de tumeur PTEN soient inactiv es dans la prostate, en m me temps que l'activation sp cifique de la prostate d'un g ne modifi pour produire l'enzyme lucif rase (d riv e des lucioles). Apr s une injection de lucif rine (la mol cule de substrat de la lucif rase) dans la circulation sanguine de la souris, les cellules de la prostate mettent de la lumi re et peuvent tre d tect es par leur bioluminescence chez une souris vivante, comme on le voit chez l'animal de 67 jours gauche. Les cellules d pourvues de l'enzyme phosphatase PTEN contiennent des qua
Biologie moléculaire de la cellule	ntit s lev es de l'activateur Akt, PI(3,4,5)P3, ce qui provoque une prolif ration anormale des cellules de la prostate, progressant au fil du temps pour former un cancer. De cette fa on, le processus de m tastase pourrait tre suivi chez le m me animal au cours d'une ann e. L'intensit lumineuse dans ces exp riences est proportionnelle au nombre de descendants de cellules de la prostate, passant du bleu clair au vert, au jaune et au rouge dans cette repr sentation. (Adapt de C.-P. Liao et al., Cancer Res. 67:7525-7533, 2007.) Figure 20 29 Collaboration oncog ne chez les souris transg niques. Les graphiques montrent l'incidence des tumeurs dans trois types de souches de souris transg niques, l'une portant un oncog ne Myc, l'autre portant un oncog ne Ras et l'autre portant les deux oncog nes. Pour ces exp riences, deux lign es de souris transg niques ont d'abord t g n r es. L'un porte une copie ins r e d'un oncog ne cr en fusionnant le proto-oncog ne Myc avec l'ADN r gulateur du virus de la tumeur mammaire de souris (qui entra ne ensuite la surexpression de Myc dans la glande mammaire). L'autre ligne porte une copie ins r e de l'oncog ne Ras sous le contr le de 50 du m me l ment r gulateur. Les deux souches de souris d veloppent des tumeurs beaucoup plus fr quemment que la normale, le plus souvent dans les glandes mammaires ou salivaires. Les souris qui portent les deux oncog nes ensemble sont obtenues en croisant les deux souches. Ces hybrides d veloppent des tumeurs un taux encore plus lev , beaucoup plus lev que la somme des taux pour les deux oncog nes s par ment. 0 N anmoins, les tumeurs ne se d veloppent qu'apr s un certain retard et seulement partir d'un petit pourcentage de souris sans tumeur proportion des cellules dans les tissus o les deux g nes sont exprim s. D'autres modifications accidentelles, en plus des deux oncog nes, sont apparemment n cessaires au d veloppement du cancer. (D'apr s E. Sinn et al., Cell 49:465-475, 1987. Avec l'autorisation d'Elsevier.) Des tudes sur des souris transg niques confirment, par exemple, qu'un seul oncog ne n'est g n ralement pas suffisant pour transformer une cellule normale en cellule canc reuse. Ainsi, chez les souris modifi es pour exprimer un transg ne oncog ne Myc ou Ras, certains des tissus qui expriment l'oncog ne peuvent pr senter une prolif ration cellulaire accrue et, au fil du temps, des cellules occasionnelles subiront d'autres modifications pour donner naissance des cancers. Cependant, la plupart des cellules exprimant l'oncog ne ne donnent pas naissance des cancers. N anmoins, du point de vue de l'ensemble de l'animal, l'oncog ne h r ditaire est une menace s rieuse car il cr e un risque lev qu'un cancer se d veloppe quelque part dans le corps. Les souris qui expriment la fois les oncog nes Myc et Ras ( lev es par l'accouplement d'une souris transg nique porteuse d'un oncog ne Myc et d'une souris porteuse d'un oncog ne Ras) d veloppent des cancers plus t t et un taux beaucoup plus lev que l'une ou l'autre des souches parentales (figures 20 29) ; Mais, encore une fois, les cancers proviennent de tumeurs dispers es et isol es parmi des cellules non canc reuses. Ainsi, m me les cellules exprimant ces deux oncog nes doivent subir d'autres changements g n r s al atoirement pour devenir canc reuses. Cela sugg re fortement que de multiples mutations sont n cessaires la tumorigen se, comme le soutiennent de nombreuses autres preuves discut es pr c demment. Des exp riences utilisant des souris avec des d l tions de g nes suppresseurs de tumeurs ont conduit des conclusions similaires. Les cancers deviennent de plus en plus h t rog nes au fur et mesure de leur progression D'apr s la simple histologie, en regardant des coupes de tissus color s, il est clair que certaines tumeurs contiennent des secteurs distincts, tous clairement canc reux, mais diff rant en apparence parce qu'ils diff rent g n tiquement : la population de cellules canc reuses est h t rog ne. De toute vidence, au sein du clone initial de cellules canc reuses, des mutations suppl mentaires sont apparues et ont prosp r , cr ant divers sous-clones. Aujourd'hui, la possibilit d'analyser les g nomes du cancer nous permet d'examiner le processus beaucoup plus en profondeur. Une approche consiste pr lever des chantillons dans diff rentes r gions d'une tumeur primaire et dans les m tastases qu'elle a engendr es. Avec les m thodes modernes, il est m me possible de prendre des cellules uniques repr sentatives et d'analyser leurs g nomes. De telles tudes r v lent une image classique de l' volution darwinienne, se d roulant sur une chelle de temps de mois ou d'ann es plut t que de millions d'ann es, mais r gie par les m mes r gles de s lection naturelle (Figure 20-30). L'une de ces recherches a compar les g nomes de 100 cellules individuelles de diff rentes r gions d'une tumeur primaire du sein. Une grande fraction un peu plus de la moiti des cellules ch
Biologie moléculaire de la cellule	oisies taient g n tiquement normales ou presque : il s'agissait de cellules de tissu conjonctif et d'autres types de cellules, telles que celles du syst me immunitaire, qui taient m lang es aux cellules canc reuses. Les cellules canc reuses elles-m mes se distinguaient par leurs g nomes s v rement perturb s. Le mod le d taill des d l tions et des amplifications de g nes dans chacune de ces cellules a r v l quel point elle tait troitement li e aux autres, et partir de ces donn es, on a pu dresser un arbre g n alogique (figures 20-30B). Dans ce cas, trois branches principales de l'arbre ont t vues ; C'est- -dire que le cancer consistait en trois principales apparences mammaires de la plupart des sous-clones pith liales r cents du d veloppement des anc tres communs du nombre de cellules. Des anomalies partag es, on pourrait d duire que leur dernier anc tre commun le fondateur pr sum du cancer tait d j tr s diff rent d'une cellule normale, mais que la premi re scission entre les branches s'est produite t t, lorsque la tumeur tait petite. Cela a t suivi d'un grand nombre de changements suppl mentaires au sein de chaque direction. Un indice de l'avenir pouvait tre vu dans le plus petit des trois principaux sous-clones : ses cellules se distinguaient par une amplification massive d'un oncog ne Ras. Avec plus de temps, peut- tre auraient-ils surpass les autres cellules canc reuses et pris le contr le de toute la tumeur. Des r sultats similaires ont t obtenus avec d'autres cancers. De toute vidence, les cellules canc reuses mutent constamment, se multiplient, se font concurrence, voluent et se diversifient mesure qu'elles exploitent de nouvelles niches cologiques et r agissent aux traitements qui leur sont administr s (figures 20 30C). La diversification s'acc l re au fur et mesure qu'elles m tastasent et colonisent de nouveaux territoires, o elles rencontrent de nouvelles pressions de s lection. Plus le processus volutif se poursuit, plus il devient difficile de les attraper tous dans le m me filet et de les tuer. Les changements dans les cellules tumorales qui conduisent aux m tastases sont encore en grande partie un myst re L' cart le plus important dans notre compr hension du cancer concerne peut- tre le caract re invasif et les m tastases. Pour commencer, il n'est pas clair exactement quelles nouvelles propri t s une cellule canc reuse doit acqu rir pour devenir m tastatique. Dans certains cas, il est possible que l'invasion et les m tastases ne n cessitent pas d'autres modifications g n tiques au-del de celles n cessaires pour violer les contr les normaux de la croissance cellulaire, de la division cellulaire et de la mort cellulaire. D'autre part, il se peut que, pour certains cancers, les m tastases n cessitent un grand nombre de mutations suppl mentaires et de changements pig n tiques. Des indices proviennent de comparaisons des g nomes des cellules des tumeurs primaires avec les cellules des m tastases qu'elles ont engendr es. Les r sultats apparaissent complexes et variables d'un cancer l'autre. N anmoins, certains principes g n raux ont merg . Comme nous l'avons vu pr c demment, il est utile de distinguer trois phases de progression tumorale n cessaires la m tastase d'un carcinome (voir Figure 20 16). Tout d'abord, les cellules Figure 20 30 Comment les cancers progressent en tant que s rie de sous-clones. (A) Illustration sch matique du mod le de mutation et de s lection naturelle dans un clone de cellules tumorales. Un arbre g n alogique de cellules canc reuses pr lev es dans diff rentes r gions d'une seule tumeur du sein, montrant comment les cellules ont volu et se sont diversifi es partir d'un anc tre commun, la cellule fondatrice du cancer. Le g nome de chacune des 100 cellules indiqu es d'une tumeur du sein humain a t s quenc pour produire un arbre volutif. Environ la moiti de ces cellules taient des cellules normales du stroma (cellules bleues). Les globules rouges ont consid rablement amplifi leur g ne K-Ras. Notez que de nombreux sous-clones semblent s' tre teints, y compris celui qui contenait les cellules fondatrices des trois sous-clones qui survivent. Une repr sentation de la fa on dont on pense que les mutations conductrices provoquent la progression du cancer sur de longues p riodes, avant de produire un clone suffisamment grand de cellules prolif rantes pour tre d tect comme une tumeur. Les donn es indiquent que les mutations conductrices ne se produisent que rarement dans un contexte de sous-clones de cellules longue dur e de vie qui accumulent continuellement des mutations passag res sans obtenir un avantage de croissance. (A, adapt de M. Greaves, Semin. Cancer Biol. 20:65-70, 2010 ; B, adapt de N. Navin et al., Nature 472:90 94, 2011 ; C, adapt de S. Nik-Zainal et al., Cell 149:994 1007, 2012.) Invasive, la survie dans l'arr t, la sortie dans la survie de la croissance initiale, la persistance provoque la circula
Biologie moléculaire de la cellule	tion, les cellules capillaires ou les cellules tissulaires distantes dans des cellules dans de la croissance, l'entr e dans d'autres petits organes ou organes trangers vaisseaux tissulaires doivent chapper aux limites normales de leur pith lium parent et commencer envahir le tissu imm diatement en dessous. Deuxi mement, ils doivent voyager par le sang ou la lymphe pour se loger dans des sites loign s. Troisi mement, ils doivent y survivre et se multiplier. Ce sont les premi res et derni res tapes de cette s quence qui sont les plus difficiles accomplir pour la plupart des cancers (figure 20 31). La premi re tape, l'invasivit locale, n cessite un rel chement des m canismes qui maintiennent normalement les cellules pith liales ensemble. Comme mentionn pr c demment, cette tape ressemble au processus de d veloppement normal connu sous le nom de transition pith lio-m senchymateuse (EMT), dans lequel les cellules pith liales subissent un changement de caract re, devenant moins adh sives et plus migratrices (discut es au chapitre 19). Une partie cl du processus EMT consiste d sactiver l'expression du g ne E-cadh rine. La fonction principale de la prot ine E-cadh rine transmembranaire est l'adh sion cellule-cellule, liant les cellules pith liales entre elles par des jonctions adh rentes (voir Figure 19-13). Dans certains carcinomes de l'estomac et du sein, l'E-cadh rine a t identifi e comme une tumeur et une perte d'E-cadh rine peut favoriser le d veloppement du cancer en facilitant l'invasivit locale. L'entr e initiale des cellules tumorales dans la circulation est facilit e par la pr sence d'un approvisionnement dense de vaisseaux sanguins et parfois de vaisseaux lymphatiques, que les tumeurs attirent elles-m mes mesure qu'elles grossissent et deviennent hypoxiques l'int rieur. Ce processus, appel angiogen se, est caus par la s cr tion de facteurs angiog niques qui favorisent la croissance des vaisseaux sanguins, tels que le facteur de croissance de l'endoth lium vasculaire (VEGF ; voir Figure 22-26). Une fragilit anormale et une fuite des nouveaux vaisseaux qui se forment peuvent aider les cellules devenues envahissantes p n trer et se d placer dans la circulation avec une relative facilit . Les tapes restantes des m tastases, impliquant la sortie d'un vaisseau sanguin ou lymphatique et la colonisation efficace de sites loign s, sont beaucoup plus difficiles tudier. Pour d couvrir quelles tapes ult rieures des m tastases pr sentent les cellules canc reuses avec les plus grandes difficult s, on peut marquer les cellules avec un colorant fluorescent ou une prot ine fluorescente verte (GFP), les injecter dans la circulation sanguine d'une souris, puis surveiller leur destin (film 20.5). Dans de telles exp riences, on observe que de nombreuses cellules survivent dans la circulation, se logent dans de petits vaisseaux et sortent dans les tissus environnants, qu'elles proviennent d'une tumeur qui m tastase ou non. Certaines cellules meurent imm diatement apr s avoir p n tr dans des tissus trangers ; d'autres survivent l'entr e dans le tissu tranger mais ne parviennent pas prolif rer. D'autres encore se divisent plusieurs fois puis s'arr tent, formant des microm tastases contenant de dix plusieurs milliers de cellules. Tr s peu d'entre eux tablissent des m tastases part enti re. Qu'est-ce qui distingue les survivants des checs ? Un indice peut provenir du fait que dans de nombreux types de tumeurs, les cellules canc reuses pr sentent une sorte d'h t rog n it qui ressemble l'h t rog n it observ e entre les cellules de ces tissus normaux qui se renouvellent continuellement par une strat gie de cellules souches, comme nous le verrons ci-dessous. Une petite population de cellules souches canc reuses peut maintenir de nombreuses tumeurs Les tissus qui s'auto-renouvellent, o la division cellulaire se poursuit tout au long de la vie, sont le terreau fertile de la grande majorit des cancers humains. Ils comprennent l' piderme Figure 20 31 Les obstacles aux m tastases. L' tude des cellules tumorales marqu es quittant un site tumoral, entrant dans la circulation et tablissant des m tastases montre quelles tapes du processus m tastatique, d crites dans la figure 20-16, sont difficiles ou inefficaces , en ce sens qu'elles sont des tapes dans lesquelles un grand nombre de cellules chouent et sont perdues. C'est dans ces tapes difficiles que l'on observe que les cellules de tumeurs hautement m tastatiques ont beaucoup plus de succ s que les cellules provenant d'une source non m tastatique. Il semble que la capacit de s' chapper du tissu parent, et la capacit de survivre et de se d velopper dans le tissu tranger, sont des propri t s cl s que les cellules doivent acqu rir pour devenir m tastatiques. (Adapt de A.F. Chambers et al., Breast Cancer Res. 2:400-407, 2000. Avec l'autorisation de BioMed Central Ltd.) (la couche pith liale externe de la peau), l
Biologie moléculaire de la cellule	a muqueuse des voies digestives et reproductrices et la moelle osseuse, o les cellules sanguines sont g n r es (voir le chapitre 22). Dans presque tous ces tissus, le renouvellement d pend de la pr sence de cellules souches, qui se divisent pour donner naissance des cellules diff renci es en phase terminale, qui ne se divisent pas. Cela cr e un m lange de cellules g n tiquement identiques et troitement li es par la lign e, mais qui se trouvent dans des tats de diff renciation diff rents. De nombreuses tumeurs semblent galement tre constitu es de cellules dans des tats de diff renciation vari s, avec des capacit s diff rentes de division cellulaire et d'auto-renouvellement. Pour voir les implications, il est utile d'examiner comment fonctionnent les syst mes normaux de cellules souches. Lorsqu'une cellule souche normale se divise, chaque cellule fille a le choix : elle peut rester une cellule souche ou s'engager dans une voie menant la diff renciation. Une cellule souche fille reste en place pour g n rer plus de cellules l'avenir. Une fille engag e subit g n ralement quelques cycles de prolif ration cellulaire (en tant que cellule amplificatrice de transit), mais cesse ensuite de se diviser, se diff rencie en phase terminale et finit par tre jet e et remplac e (elle peut mourir par apoptose, avec recyclage de ses mat riaux, ou tre limin du corps). En moyenne, les deux destins cellule souche ou cellule diff renciatrice se produisent normalement avec une probabilit gale, de sorte que la moiti des filles des divisions de cellules souches prennent un chemin et l'autre moiti l'autre. Dans un corps sain, les contr les de r troaction r gulent le processus, ajustant cet quilibre des choix de destin cellulaire pour corriger tout cart par rapport aux chiffres de population cellulaire appropri s. Ainsi, le nombre de cellules souches reste peu pr s constant et les cellules diff renci es en phase terminale sont continuellement remplac es un rythme r gulier. En raison des divisions subies par les cellules amplificatrices de transit, les cellules souches peuvent tre largement d pass es en nombre par les cellules qui s'engagent dans la diff renciation terminale et ont perdu la capacit de s'auto-renouveler. Mais les cellules souches, bien que peu nombreuses et espac es et se divisant souvent relativement lentement, portent l'enti re responsabilit du maintien du tissu long terme. Certains cancers semblent tre organis s de la m me mani re : ils sont constitu s de cellules souches canc reuses rares capables de se diviser ind finiment, ainsi que d'un nombre beaucoup plus important de cellules amplificatrices de transit en division qui sont d riv es des cellules souches canc reuses mais qui ont une capacit limit e d'auto-renouvellement (Figure 20 32). Ces cellules non souches semblent constituer la grande majorit de la population cellulaire de certaines tumeurs. Le ph nom ne des cellules souches canc reuses ajoute la difficult de gu rir le cancer Les preuves du ph nom ne des cellules souches canc reuses proviennent principalement d'exp riences dans lesquelles des cellules individuelles d'un cancer sont test es pour leur capacit donner naissance de nouvelles tumeurs : un test standard consiste implanter les cellules dans une souris immunod ficiente (Figure 20-33). On sait depuis un demi-si cle qu'il n'y a g n ralement qu'une petite chance g n ralement beaucoup moins de 1 % qu'une cellule tumorale choisie au hasard et test e de cette mani re g n re une nouvelle tumeur. Cela ne prouve pas en soi que Figure 20 32 Les cellules souches canc reuses peuvent tre responsables de la croissance tumorale et ne restent pourtant qu'une petite partie de la population de cellules tumorales. (A) comment les cellules souches produisent des cellules amplificatrices de transit. (B) comment une petite proportion de cellules souches canc reuses peut maintenir une tumeur. Supposons, par exemple, que chaque fille d'une cellule souche canc reuse ait une probabilit l g rement sup rieure 50 % de conserver le potentiel des cellules souches et une probabilit l g rement inf rieure 50 % de devenir une cellule amplificatrice de transit engag e dans un programme de divisions cellulaires qui s'arr te apr s 10 cycles de division. Alors que le nombre de cellules souches canc reuses augmentera lentement mais r guli rement pour donner une tumeur en croissance, les cellules non souches qu'elles donnent naissance seront toujours plus nombreuses que les cellules souches d'un facteur important dans cet exemple, d'un facteur d'environ 1000. (Si le cycle de division cellulaire et les temps de survie des deux classes de cellules sont gaux.) Les cellules tumorales sont h t rog nes : comme des graines parpill es sur un sol difficile, chacune d'entre elles n'a qu'une faible chance de trouver un endroit o elle peut survivre et se d velopper. Les technologies modernes de tri des cellules ont cependant montr q
Biologie moléculaire de la cellule	ue dans certains cancers au moins, le taux de r ussite dans la cr ation de nouvelles tumeurs est encore plus faible qu'il ne le serait autrement parce que les cellules canc reuses sont h t rog nes dans leur tat de diff renciation, et que seul un petit sous-ensemble d'entre elles les cellules souches canc reuses a les propri t s sp ciales n cessaires la propagation des tumeurs. Par exemple, dans plusieurs types de cancer, y compris les cancers du sein et les leuc mies, on peut fractionner les cellules tumorales l'aide d'anticorps monoclonaux qui reconnaissent un marqueur de surface cellulaire particulier pr sent sur les cellules souches normales dans le tissu d'origine du cancer. Les cellules canc reuses purifi es exprimant ce marqueur ont une capacit consid rablement accrue fonder de nouvelles tumeurs. Et les nouvelles tumeurs sont constitu es de m langes de cellules qui expriment le marqueur et de cellules qui ne le font pas, toutes g n r es partir de la m me cellule fondatrice qui a exprim le marqueur. Des exp riences sur des cellules canc reuses du sein ont r v l qu'au lieu de suivre un programme rigide de la cellule souche la cellule amplificatrice de transit la cellule diff renci e en phase terminale, ces cellules canc reuses peuvent basculer de mani re al atoire avec une certaine faible probabilit de transition entre diff rents tats de diff renciation qui expriment diff rents marqueurs mol culaires. Dans un tat, ils se comportent comme des cellules souches, se divisant lentement mais capables de fonder de nouvelles tumeurs ; Dans d'autres tats, ils se comportent comme des cellules amplifiant le transit, se divisant rapidement mais incapables de trouver de nouvelles tumeurs dans un test de transplantation standard. Mais une seule cellule dans l'un de ces tats, tant donn le temps La culture, ou un environnement agr able dans le corps, donnera naissance une population mixte qui comprend galement tous les autres tats. Le ph nom ne des cellules souches canc reuses, quelle que soit sa base, implique que m me lorsque les cellules tumorales sont g n tiquement similaires, elles sont ph notypiquement diverses. Un traitement qui an antit ceux qui se trouvent dans un tat est susceptible de permettre la survie d'autres qui restent un danger. La radioth rapie ou un m dicament cytotoxique, par exemple, peut tuer s lectivement les cellules qui se divisent rapidement, r duisant le volume tumoral presque rien, et pourtant pargner quelques cellules division lente qui vont ressusciter la maladie. Cela ajoute grandement la difficult du traitement du cancer, et c'est en partie la raison pour laquelle les traitements qui semblent r ussir au d but se terminent souvent par une rechute et une d ception. Les cancers colorectaux voluent lentement via une succession de changements visibles Au d but de ce chapitre, nous avons vu que la plupart des cancers se d veloppent progressivement partir d'une seule cellule aberrante, passant de tumeurs b nignes malignes par l'accumulation d'un certain nombre de modifications g n tiques et pig n tiques ind pendantes. Nous avons discut de ce que sont certains de ces changements en termes mol culaires et vu comment ils contribuent au comportement canc reux. Nous examinons maintenant de plus pr s l'un des cancers humains les plus courants, en l'utilisant pour illustrer et largir certains des principes g n raux et des m canismes mol culaires que nous avons introduits. Nous prenons l'exemple du cancer colorectal. Les cancers colorectaux naissent de l' pith lium qui tapisse le c lon (le gros intestin) et le rectum (le segment terminal de l'intestin). L'organisation de ce tissu est globalement similaire celle de l'intestin gr le, discut e en d tail au chapitre 22 (pp. 1217-1221). Pour l'intestin gr le et le gros intestin, l' pith lium se renouvelle un rythme extraordinairement rapide, prenant environ une semaine pour remplacer compl tement la majeure partie de la feuille pith liale. Dans les deux r gions, le renouvellement d pend des cellules souches qui se trouvent dans des poches profondes de l' pith lium, appel es cryptes intestinales. Les signaux qui maintiennent les cellules souches et contr lent l'organisation normale et le renouvellement de l' pith lium commencent tre assez bien compris, comme expliqu au chapitre 22. Les mutations qui perturbent ces signaux d clenchent le processus de progression tumorale pour la plupart des cancers colorectaux (Movie 20.6). Les cancers colorectaux sont courants, causant actuellement pr s de 60 000 d c s par an aux tats-Unis, soit environ 10 % du total des d c s par cancer. Comme la plupart des cancers, ils ne sont g n ralement diagnostiqu s que tard dans la vie (90% surviennent apr s l' ge de 55 ans). Cependant, l'examen de routine d'adultes normaux l'aide d'un coloscope (une Figure 20 33 Une souris immunod ficiente, telle qu'elle est utilis e dans les tests de transplantation pour teste
Biologie moléculaire de la cellule	r la capacit des cellules canc reuses humaines trouver de nouvelles tumeurs. Cette souris nue a une mutation qui bloque le d veloppement du thymus et, comme effet secondaire, la prive de poils. Parce qu'il n'a pratiquement pas de cellules T, il tol re les greffes de cellules m me d'autres esp ces. (Avec l'aimable autorisation de Harlan Sprague Dawley.) dispositif optique pour visualiser l'int rieur du c lon et du rectum) r v le souvent une petite tumeur b nigne, ou ad nome, de l' pith lium intestinal sous la forme d'une masse saillante de tissu appel e polype (voir Figure 22-4). On pense que ces polypes ad nomateux sont les pr curseurs d'une grande partie des cancers colorectaux. Parce que la progression de la maladie est g n ralement tr s lente, il y a g n ralement une p riode d'environ 10 ans au cours de laquelle la tumeur croissance lente est d tectable mais n'est pas encore devenue maligne. Ainsi, lorsque les personnes sont d pist es par coloscopie dans la cinquantaine et que les polypes sont retir s au moyen du coloscope une intervention chirurgicale rapide et facile l'incidence subs quente du cancer colorectal est beaucoup plus faible : selon certaines tudes, moins du quart de ce qu'elle serait autrement. Dans les coupes microscopiques de polypes de moins de 1 cm de diam tre, les cellules et leur disposition dans l' pith lium apparaissent g n ralement presque normales. Plus le polype est gros, plus il est susceptible de contenir des cellules qui semblent anormalement indiff renci es et forment des structures anormalement organis es. Parfois, deux ou plusieurs zones distinctes peuvent tre distingu es au sein d'un seul polype, les cellules d'une zone semblant relativement normales et celles de l'autre semblant clairement canc reuses, comme si elles taient apparues en tant que mutant sous-clone dans le clone original de cellules ad nomateuses. Aux stades ult rieurs de la maladie, certaines cellules tumorales deviennent invasives dans une petite fraction des polypes, per ant d'abord la lame basale pith liale, puis se propageant travers la couche musculaire qui entoure l'intestin, et enfin m tastasant aux ganglions lymphatiques via les vaisseaux lymphatiques et au foie, aux poumons et d'autres organes via les vaisseaux sanguins. Quelques l sions g n tiques cl s sont communes une grande partie des cancers colorectaux Quelles sont les mutations qui s'accumulent avec le temps pour produire cet encha nement d' v nements ? Parmi les g nes dont on a d couvert jusqu' pr sent qu'ils taient impliqu s dans le cancer colorectal, trois se distinguent par les mutations les plus fr quentes : le proto-oncog ne K-Ras (membre de la famille des g nes Ras), dans environ 40 % des cas ; p53, dans environ 60 % des cas ; et le g ne suppresseur de tumeur Apc (discut ci-dessous), dans plus de 80% des cas. D'autres sont impliqu s dans un plus petit nombre de cancers du c lon, et certains d'entre eux sont num r s dans le tableau 20-1. Le r le de l'Apc a d'abord t mis en lumi re par l' tude de certaines familles pr sentant un type rare de pr disposition h r ditaire au cancer colorectal, appel cancer familial Figure 20 34 C lon d'un patient atteint de polypose ad nomateuse familiale par rapport au c lon normal. (A) La paroi normale du c lon est une surface l g rement ondul e mais lisse. (B) Le c lon polypos est enti rement recouvert par des centaines de polypes saillants, chacun ressemblant un minuscule chou-fleur lorsqu'il est vu l' il nu. (Avec l'aimable autorisation d'Andrew Wyllie et Mark Arends.) polypose ad nomateuse colique (PAF). Dans ce syndrome, des centaines ou des milliers de polypes se d veloppent sur toute la longueur du c lon (Figure 20 34). Ces polypes commencent appara tre au d but de la vie adulte, et s'ils ne sont pas enlev s, un ou plusieurs deviendront presque toujours malins ; Le d lai moyen entre la premi re d tection de polypes et le diagnostic de cancer est de 12 ans. La maladie peut tre attribu e une d l tion ou une inactivation du g ne suppresseur de tumeur Apc, nomm d'apr s le syndrome. Les individus atteints de FAP pr sentent des mutations inactivatrices ou des d l tions d'une copie du g ne Apc dans toutes leurs cellules et pr sentent une perte d'h t rozygotie dans les tumeurs, m me dans les polypes b nins. La plupart des patients atteints d'un cancer colorectal n'ont pas la maladie h r ditaire. N anmoins, dans plus de 80% des cas, leurs cellules canc reuses (mais pas leurs cellules normales) ont inactiv les deux copies du g ne Apc par des mutations acquises au cours de la vie du patient. Ainsi, par une voie similaire celle que nous avons discut e pour le r tinoblastome, la mutation du g ne Apc a t identifi e comme l'un des ingr dients centraux du cancer colorectal. La prot ine Apc, comme nous le savons maintenant, est un composant inhibiteur de la voie de signalisation Wnt (discut e au chapitre 15). Il se lie la prot ine -cat nine, un autre composant d
Biologie moléculaire de la cellule	e la voie Wnt, et aide induire la d gradation de la prot ine. En inhibant la -cat nine de cette mani re, Apc emp che la -cat nine de migrer vers le noyau, o elle agirait comme un r gulateur transcriptionnel pour stimuler la prolif ration cellulaire et maintenir l' tat de cellules souches (voir Figure 15-60). La perte d'Apc entra ne un exc s de -cat nine libre et conduit ainsi une expansion incontr l e de la population de cellules souches. Cela provoque une augmentation massive du nombre et de la taille des cryptes intestinales (voir Figure 22-4). Lorsque le g ne de la -cat nine a t s quenc dans une collection de tumeurs colorectales, il a t d couvert que de nombreuses tumeurs qui n'avaient pas de mutations Apc avaient des mutations activatrices dans la -cat nine la place. Ainsi, c'est une activit excessive dans la voie de signalisation Wnt qui est critique pour l'initiation de ce cancer, plut t qu'un seul oncog ne ou g ne suppresseur de tumeur que la voie contient. Cela tant, pourquoi le g ne Apc en particulier est-il si souvent le coupable le plus courant dans le cancer colorectal ? La prot ine Apc est grande et interagit non seulement avec la -cat nine, mais aussi avec divers autres composants cellulaires, y compris les microtubules. La perte d'Apc semble augmenter la fr quence des anomalies du fuseau mitotique, entra nant des anomalies chromosomiques lorsque les cellules se divisent. Cet effet suppl mentaire et ind pendant de promotion du cancer pourrait expliquer pourquoi les mutations Apc jouent un r le si important dans la cause du cancer colorectal. En plus de la maladie h r ditaire (PAF) associ e aux mutations de l'APC, il existe une seconde, plus type courant de pr disposition h r ditaire au carcinome du c lon dans lequel le d roulement des v nements diff re de celui que nous avons d crit pour la PAF. Dans cette affection plus courante, appel e cancer colorectal h r ditaire sans polypose (HNPCC), la probabilit de cancer du c lon est augment e sans aucune augmentation du nombre de polypes colorectaux (ad nomes). De plus, les cellules canc reuses sont inhabituelles, en ce sens qu'elles ont un caryotype normal (ou presque normal). La majorit des tumeurs colorectales chez les patients non HNPCC, en revanche, pr sentent des anomalies chromosomiques macroscopiques, avec de multiples translocations, d l tions et autres aberrations, ainsi que beaucoup plus de chromosomes que la normale (Figure 20 35). Les mutations qui pr disposent les individus HNPCC au cancer colorectal se produisent dans l'un des nombreux g nes qui codent pour les composants centraux du syst me de r paration des m sappariements de l'ADN. Ces g nes sont homologues en structure et en fonction aux g nes MutL et MutS chez les bact ries et les levures (voir Figure 5-19). Une seule des deux copies du g ne impliqu est d fectueuse, de sorte que le syst me de r paration est toujours capable d' liminer les in vitables erreurs de r plication de l'ADN qui se produisent dans les cellules du patient. Cependant, comme nous l'avons vu pr c demment, ces personnes sont risque, car la perte ou l'inactivation accidentelle de la bonne copie du g ne restante augmentera imm diatement le taux de mutation spontan e d'une centaine de fois ou plus (discut au chapitre 5). Ces cellules g n tiquement instables peuvent alors vraisemblablement acc l rer les processus standard de mutation et de s lection naturelle qui permettent aux clones de cellules de progresser vers la malignit . Ce type particulier d'instabilit g n tique produit des changements invisibles dans les chromosomes, notamment des changements dans les nucl otides individuels et de courtes expansions et contractions de r p titions monoet dinucl otidiques telles que AAAA... ou CACACA.... Une fois que le d faut chez les patients HNPCC a t reconnu, le silen age pig n tique ou la mutation des g nes de r paration des m sappariements a t trouv dans environ 15% des cancers colorectaux survenant chez des personnes sans mutation pr disposant h r ditaire. Ainsi, l'instabilit g n tique que l'on retrouve dans de nombreux cancers colorectaux peut tre acquise d'au moins deux fa ons. La majorit des cancers pr sentent une forme d'instabilit chromosomique qui conduit des chromosomes visiblement alt r s, tandis que chez les autres, l'instabilit se produit une chelle beaucoup plus petite et refl te un d faut de r paration des m sappariements de l'ADN. En effet, de nombreux carcinomes pr sentent soit une instabilit chromosomique, soit une r paration d fectueuse des m sappariements, mais rarement les deux. Ces r sultats d montrent clairement que l'instabilit g n tique n'est pas un sous-produit accidentel d'un comportement malin, mais une cause contributive et que les cellules canc reuses peuvent acqu rir cette instabilit de plusieurs fa ons. Les tapes de la progression tumorale peuvent souvent tre corr l es des mutations sp cifiques Dans quel ordre K-Ras, p53, Apc
Biologie moléculaire de la cellule	et les autres g nes critiques du cancer colorectal identifi s mutent-ils, et quelle contribution chacun d'eux apporte-t-il au comportement asocial de la cellule canc reuse ? Il n'y a pas de r ponse unique, car le cancer colorectal peut survenir par plus d'une voie : ainsi, nous savons que dans certains cas, la premi re mutation peut se trouver dans un g ne de r paration des m sappariements de l'ADN ; chez d'autres, il peut s'agir d'un g ne r gulant la prolif ration cellulaire. De plus, comme nous l'avons vu pr c demment, une caract ristique g n rale telle qu'une instabilit g n tique ou une tendance prolif rer anormalement peut survenir de diverses mani res, par le biais de mutations dans diff rents g nes. N anmoins, certains ensembles de mutations sont particuli rement fr quents dans le cancer colorectal, et ils se produisent dans un ordre caract ristique. Ainsi, dans la plupart des cas, les mutations inactivant le g ne Apc semblent tre la premi re tape, ou du moins une tape tr s pr coce, car elles sont d tect es la m me fr quence lev e dans les petits polypes b nins que dans les grandes tumeurs malignes. Les changements qui conduisent une instabilit g n tique et pig n tique sont galement susceptibles de survenir au d but de la progression tumorale, car ils sont n cessaires pour conduire les tapes ult rieures. Les mutations activatrices du g ne K-Ras se produisent plus tard, car elles sont rares dans les petits polypes mais courantes dans les plus grands qui pr sentent des perturbations dans la diff renciation cellulaire et le sch ma histologique. On pense que les mutations inactivatrices de p53 surviennent encore plus tard, car elles sont rares dans les polypes mais fr quentes dans les carcinomes (Figure 20 36). Nous avons vu que la perte de la fonction p53 permet aux cellules canc reuses de supporter le stress et pour viter l'apoptose et l'arr t du cycle cellulaire. De plus, la perte de p53 est li e l'activation accrue Figure 20 35 Compl ments chromosomiques (caryotypes) des cancers du c lon montrant diff rents types d'instabilit g n tique. (A) Le caryotype d'un cancer typique pr sente de nombreuses anomalies grossi res dans le nombre et la structure des chromosomes. Des variations consid rables peuvent galement exister d'une cellule l'autre (non illustr ). (B) Le caryotype d'une tumeur qui a un compl ment chromosomique stable avec peu d'anomalies chromosomiques ; les anomalies g n tiques sont pour la plupart invisibles, ayant t cr es par des d fauts dans la r paration des m sappariements de l'ADN. Tous les chromosomes de cette figure ont t color s comme sur les figures 4-10, l'ADN de chaque chromosome humain tant marqu avec une combinaison diff rente de colorants fluorescents. (Avec l'aimable autorisation de Wael Abdel-Rahman et Paul Edwards.) l'acquisition d'une instabilit g n tique et pig n tique accrue d'oncog nes tels que Ras. Des exp riences sur des souris montrent qu'un faible niveau initial d'activation de l'oncog ne peut donner naissance une tumeur croissance lente m me lorsque p53 est fonctionnel : des g nes tels que Ras font, apr s tout, partie de la machinerie normale de contr le de la croissance, et une activation mod r e n'est pas stressante pour une cellule et n'appelle pas la prot ine p53 en jeu. La progression d'une tumeur d'une croissance lente une croissance maligne rapide implique toutefois l'activation d'oncog nes au-del des limites physiologiques normales un niveau plus lev et stressant. Si la prot ine p53 est pr sente et fonctionnelle, cela devrait entra ner l'arr t ou la mort du cycle cellulaire. Ce n'est qu'en perdant la fonction de p53 que les cellules canc reuses avec des oncog nes hyperactifs peuvent survivre et progresser. Les tapes que nous venons de d crire ne sont qu'une partie du tableau. Il est important de souligner que chaque cas de cancer colorectal est diff rent, avec sa propre combinaison d taill e de mutations, et que m me pour les mutations qui sont couramment partag es, la s quence d'apparition peut varier. Il en va de m me pour les cancers en g n ral. Les progr s de la biologie mol culaire ont r cemment fourni les outils permettant de d couvrir pr cis ment quels g nes sont amplifi s, supprim s, mut s ou mal r gul s par des m canismes pig n tiques dans les cellules tumorales d'un patient donn . Comme nous le verrons dans la section suivante, ces informations promettent de devenir aussi importantes pour le diagnostic et le traitement du cancer que l'a t la perc e de la capacit d'identifier les micro-organismes pour le traitement des maladies infectieuses. L'analyse mol culaire des cellules canc reuses r v le deux classes de g nes critiques pour le cancer : les oncog nes et les g nes suppresseurs de tumeurs. Un ensemble de ces g nes est alt r par une combinaison d'accidents g n tiques et pig n tiques pour entra ner la progression tumorale. De nombreux g nes critiques pour le cancer codent pour des composants d
Biologie moléculaire de la cellule	es voies de contr le social qui r gulent la croissance, la division, la diff renciation ou la mort des cellules. De plus, une sous-classe de suppresseurs de tumeurs peut tre class e dans la cat gorie des g nes de maintien du g nome , car leur r le normal est d'aider maintenir l'int grit du g nome. L'inactivation de la voie p53, qui se produit dans presque tous les cancers humains, permet aux cellules g n tiquement endommag es d' chapper l'apoptose et de continuer prolif rer. L'inactivation de la voie Rb se produit galement dans la plupart des cancers humains, illustrant quel point chacune de ces voies est fondamentale pour nous prot ger contre le cancer. Le s quen age des g nomes des cellules canc reuses r v le que, l'exception des cancers de l'enfant, de nombreux cancers acqui rent environ 10 mutations motrices au cours de la longue progression tumorale, ainsi qu'un nombre consid rablement plus important de mutations passag res sans cons quence. Les m mes m thodes r v lent comment les sous-clones de cellules apparaissent et meurent au fur et mesure qu'une tumeur vieillit. Les tumeurs contiennent donc un m lange h t rog ne de cellules, certaines les cellules souches dites canc reuses tant beaucoup plus dangereuses que d'autres. Nous pouvons souvent corr ler les tapes de la progression tumorale avec des mutations qui activent des oncog nes sp cifiques et inactivent des g nes suppresseurs de tumeurs sp cifiques, le cancer du c lon en tant un bon exemple. Mais diff rentes combinaisons de mutations et de changements pig n tiques sont trouv es dans diff rents types de cancer, et m me chez diff rents patients atteints du m me type de cancer, ce qui refl te la mani re al atoire dont ces changements h r ditaires se produisent. N anmoins, bon nombre des m mes changements sont rencontr s plusieurs reprises, ce qui sugg re qu'il y a sont un nombre limit de fa ons de percer nos d fenses contre le cancer. Figure 20 36 S quence typique sugg r e des changements g n tiques sous-jacents au d veloppement d'un carcinome colorectal. Ce sch ma simplifi l'extr me donne une id e g n rale de la fa on dont la mutation et le d veloppement tumoral sont li s. Mais de nombreuses autres mutations sont g n ralement impliqu es, et diff rents cancers du c lon peuvent progresser travers diff rentes s quences de mutations (et/ou des changements pig n tiques). PR VENTION ET TRAITEMENT DU CANCER : PR SENT ET FUTUR Nous pouvons appliquer la compr hension croissante de la biologie mol culaire du cancer pour affiner notre attaque contre la maladie trois niveaux : la pr vention, le diagnostic et le traitement. Mieux vaut pr venir que gu rir, et en effet, de nombreux cancers peuvent tre vit s, notamment en vitant de fumer. Les tests mol culaires tr s sensibles promettent de nouvelles possibilit s pour un diagnostic plus pr coce et plus pr cis, dans le but de d tecter les tumeurs primaires alors qu'elles sont encore petites et n'ont pas encore m tastas . Les cancers d tect s ces stades pr coces peuvent souvent tre touff s dans l' uf par la chirurgie ou la radioth rapie, comme nous l'avons vu pour les polypes colorectaux. N anmoins, les maladies malignes part enti re continueront d' tre courantes pendant de nombreuses ann es venir, et des traitements contre le cancer continueront d' tre n cessaires. Dans cette section, nous examinerons d'abord les causes vitables du cancer, puis nous examinerons comment les progr s de notre compr hension au niveau mol culaire commencent transformer le traitement de la maladie. L' pid miologie r v le que de nombreux cas de cancer sont vitables Il faut s'attendre une certaine incidence de fond irr ductible du cancer quelles que soient les circonstances. Comme nous l'avons vu au chapitre 5, les mutations ne peuvent jamais tre absolument vit es car elles sont une cons quence in vitable de limitations fondamentales sur la pr cision de la r plication et de la r paration de l'ADN. Si une personne pouvait vivre assez longtemps, il est in vitable qu'au moins une de ses cellules finisse par accumuler un ensemble de mutations suffisantes pour que le cancer se d veloppe. N anmoins, les facteurs environnementaux semblent jouer un r le important dans la d termination du risque de cancer. C'est ce que montre le plus clairement la comparaison de l'incidence du cancer dans diff rents pays : pour presque tous les cancers fr quents dans un pays, il y a un autre pays o l'incidence est beaucoup plus faible. tant donn que les populations migrantes ont tendance adopter le sch ma d'incidence du cancer typique de leur nouveau pays d'accueil, on pense que les diff rences sont dues principalement des facteurs environnementaux et non g n tiques. partir de ces r sultats, il a t sugg r que 80 90 % des cancers devraient tre vitables, ou du moins diff r s (figure 20-37). Malheureusement, diff rents cancers ont des facteurs de risque environnementaux diff rents, et u
Biologie moléculaire de la cellule	ne population qui chappe un tel danger est g n ralement expos e un autre. Ce n'est toutefois pas une fatalit . Il existe des sous-groupes humains dont le mode de vie r duit consid rablement le taux total de mortalit par cancer chez les individus d'un ge donn . Dans les conditions actuelles aux tats-Unis et en Europe, environ une personne sur cinq mourra du cancer. Mais l'incidence du cancer chez les mormons stricts de l'Utah qui vitent l'alcool, le caf , les cigarettes, les drogues et les rapports sexuels occasionnels n'est que la moiti de l'incidence chez les membres non pratiquants de la m me famille ou chez les Am ricains en g n ral. L'incidence du cancer est galement faible dans certaines populations relativement ais es d'Afrique. Bien que de telles observations sur les populations humaines indiquent que le cancer peut souvent tre vit , il a t difficile dans la plupart des cas, l'exception notable du tabac, d'identifier les facteurs environnementaux sp cifiques responsables de ces grandes diff rences entre les populations ou d' tablir comment ils agissent. N anmoins, plusieurs classes importantes de facteurs de risque de cancer environnementaux ont t identifi es (figures 20 37B). On pense d'abord aux mutag nes. Mais il existe galement de nombreuses autres influences, notamment la quantit de nourriture que nous mangeons, les hormones qui circulent dans notre corps et les irritations, les infections et les dommages auxquels nous nous exposons nos tis-sues qui ne sont pas moins importantes et favorisent le d veloppement de la maladie d'autres mani res. De nombreux produits chimiques assez disparates sont canc rig nes lorsqu'ils sont donn s des animaux de laboratoire ou peints plusieurs reprises sur leur peau. Il peut s'agir, par exemple, d'une plage AM RIQUE DU SUD AM RIQUE DU NORD HAWA JAPON CHINE AFRIQUE prostate, c lon, sein prostate, c lon, sein estomac naso-pharyng lymphome de Burkitt lymphome de Burkitt (A) EUROPE DE L'EST MALADIE DE HODGKIN Figure 20 37 L'incidence du cancer est li e aux influences environnementales. Cette carte du monde montre que les taux de cancer augmentent (fl ches rouges) ou diminuent (fl ches bleues) lorsque des populations sp cifiques se d placent d'un endroit un autre. De telles observations sugg rent l'importance des facteurs environnementaux, y compris l'alimentation, dans la dictation du risque de cancer. (B) Quelques effets estim s de l'environnement et du mode de vie sur le cancer aux tats-Unis (US). Le tableau montre la fois les d c s annuels aux tats-Unis attribuables chaque cancer et le pourcentage estim de ce cancer qui pourrait tre limin par la pr vention. (B, donn es de G.A. Colditz, K.Y. Wolin et S. Gehlert, Sci. Transl. Med. 4:127rv4, 2012.) d'hydrocarbures aromatiques et de d riv s de ceux-ci tels que les amines aromatiques, les nitrosamines et les agents alkylants tels que le gaz moutarde. Bien que ces canc rog nes chimiques aient des structures diverses, une grande partie d'entre eux ont au moins une propri t commune : ils provoquent des mutations. Dans un test courant de mutag nicit (le test d'Ames), le canc rog ne est m lang un extrait activateur pr par partir de cellules h patiques de rat (pour imiter le traitement biochimique qui se produit chez un animal intact). Le m lange est ensuite ajout une culture de bact ries d'essai sp cialement con ues et le taux de mutation bact rienne est mesur . La plupart des compos s marqu s comme mutag nes par ce test rapide et pratique chez les bact ries provoquent galement des mutations ou des aberrations chromosomiques lorsqu'ils sont test s sur des cellules de mammif res. Quelques-uns de ces canc rig nes agissent directement sur l'ADN. Mais g n ralement, les plus puissants sont relativement inertes chimiquement ; ces produits chimiques ne deviennent dommageables qu'apr s avoir t convertis en une mol cule plus r active par des processus m taboliques dans le foie, catalys s par un ensemble d'enzymes intracellulaires connues sous le nom de cytochromes P-450 oxydases. Ces enzymes aident normalement convertir les toxines ing r es en compos s inoffensifs et facilement excr t s. Malheureusement, leur activit sur certains produits chimiques g n re des produits hautement mutag nes. Parmi les canc rog nes activ s de cette mani re, citons le benzo[a]pyr ne, un produit chimique canc rig ne pr sent dans le goudron de houille et la fum e de tabac, et la toxine fongique aflatoxine B1 (figures 20-38). Cinquante pour cent des cancers pourraient tre vit s par des changements de mode de vie La fum e de tabac est aujourd'hui le canc rog ne le plus important dans le monde. M me si de nombreux autres canc rog nes chimiques ont t identifi s, aucun d'entre eux ne semble tre responsable du m me nombre de d c s par cancer chez l'homme. On pense parfois que les principales causes environnementales du cancer sont les produits d'un mode de vie hautement industrialis
Biologie moléculaire de la cellule	l'augmentation de la pollution, l'utilisation accrue d'additifs alimentaires, etc. mais il y a peu de preuves l'appui de ce point de vue. L'id e est peut- tre venue en partie de l'identification de certains mat riaux hautement canc rig nes utilis s dans l'industrie, tels que la 2-naphtylamine et l'amiante. Toutefois, l'exception de l'augmentation du nombre de cancers caus s par le tabagisme, les taux de mortalit ajust s selon l' ge pour la plupart des cancers humains courants sont demeur s peu pr s les m mes au cours du dernier demi-si cle ou, dans certains cas, ont diminu consid rablement (figures 20 39). De plus, les taux de survie se sont am lior s. Il y a trente ans, moins de 50 % des patients vivaient plus de cinq ans apr s le diagnostic ; Aujourd'hui, plus des deux tiers le font. A) AFLATOXINE AFLATOXINE-2,3- POXYDE CANC ROG NE LI LA GUANINE DANS L'ADN Figure 20 38 Quelques canc rog nes connus. (A) Activation canc rig ne. Une transformation m tabolique doit activer de nombreux canc rog nes chimiques avant qu'ils ne provoquent des mutations en r agissant avec l'ADN. Le compos illustr ici est l'aflatoxine B1, une toxine d'une moisissure (Aspergillus flavus oryzae) qui se d veloppe sur les c r ales et les cacahu tes lorsqu'elles sont stock es dans des conditions tropicales humides. L'aflatoxine est une cause importante de cancer du foie dans les tropiques. (B) Diff rents canc rog nes causent diff rents types de cancer. (B, donn es de Cancer and the Environment : Gene Environment Interactions, National Academies Press, 2002.) La plupart des facteurs canc rig nes dont on sait qu'ils sont importants ne sont en aucun cas sp cifiques au monde moderne. Le canc rog ne connu le plus puissant, du moins selon certains dosages, est l'aflatoxine B1 (voir figures 20 38). Il est produit par des champignons qui contaminent naturellement les aliments tels que les cacahu tes tropicales et est une cause importante de cancer du foie en Afrique et en Asie. l'exception du tabac, les toxines chimiques et les mutag nes sont moins importants en tant que causes contributives du cancer que d'autres facteurs qui rel vent davantage d'un choix personnel. Un facteur important est la quantit de nourriture que nous mangeons : comme mentionn pr c demment, le risque de cancer est consid rablement augment chez les personnes ob ses. En fait, on estime que jusqu' 50 % de tous les cancers pourraient tre vit s par de simples changements identifiables du mode de vie (voir la figure 20-37B). Les virus et autres infections contribuent une proportion importante des cancers chez l'homme Le cancer chez l'homme n'est pas une maladie infectieuse, et la plupart des cancers humains n'ont aucune cause infectieuse. Cependant, on pense qu'une proportion faible mais significative des cancers humains, peut- tre 15 % dans le monde entier, proviennent de m canismes impliquant des virus, des bact ries ou des parasites. Les preuves de leur implication proviennent en partie de la d tection de virus chez des patients canc reux et en partie de l' pid miologie. Ainsi, le cancer du col de l'ut rus est associ une infection par un papillomavirus, tandis que le cancer du foie est tr s fr quent dans certaines parties du monde (Afrique et Asie du Sud-Est) o les infections virales de l'h patite B sont courantes. Infection chronique CHLORURE DE VINYLE : BENZ NE : ARSENIC : carcinomes cutan s, cancer de la vessie AMIANTE : RADIUM : Figure 20-39 Taux de mortalit par cancer ajust s selon l' ge, tats-Unis, 1930-2008. Certains taux de mortalit , ajust s la r partition par ge de la population am ricaine, sont repr sent s pour (A) les femmes et (B) les hommes. Notons l'augmentation spectaculaire du cancer du poumon chez les deux sexes, suivant le mod le du tabagisme, et la baisse des d c s par cancer de l'estomac, que l'on pense tre li e une baisse des taux d'infection par le tabac. Helicobacter pylori. R ductions r centes du nombre de d c s pour 100 000 habitantsD c s pour 100 000 habitants0 20 40 60 80 0 20 40 60 80estomac sein poumon et bronches ut rus ovaire pancr as estomac prostate poumon et bronche leuc mie h patique traitement du pancr as. Des donn es ajust es en fonction de l' ge comme celles-ci sont n cessaires pour compenser l'augmentation in vitable du cancer, car les gens vivent plus longtemps, en moyenne. (Adapt de Cancer Facts and Figures, 2012. Donn es tir es des volumes de mortalit aux tats-Unis de 1930 1959, des donn es de mortalit aux tats-Unis de 1960 2008, du National Center for Health Statistics, des Centers for Disease Control et Pr vention. 2012, American Cancer (A) (B) Society, Inc., Recherche sur la surveillance.) avec le virus de l'h patite C, qui a infect 170 millions de personnes dans le monde, est galement clairement associ e au d veloppement du cancer du foie. Les principaux coupables, comme le montre le tableau 20-2, sont les virus ADN. Les virus tumoraux ADN causent le cancer p
Biologie moléculaire de la cellule	ar la voie la plus directe, en interf rant avec les contr les du cycle cellulaire et de l'apoptose. Pour comprendre ce type de canc rogen se virale, il est important d'examiner l'histoire de la vie des virus. De nombreux virus ADN utilisent la machinerie de r plication de l'ADN de la cellule h te pour r pliquer leurs propres g nomes. Cependant, pour produire un grand nombre de particules virales infectieuses au sein d'une seule cellule h te, le virus ADN doit r quisitionner cette machinerie et le conduire fort, brisant les contraintes normales sur la r plication de l'ADN et tuant g n ralement la cellule h te dans le processus. De nombreux virus ADN ne se reproduisent que de cette mani re. Mais certains ont une deuxi me option : ils peuvent propager leur g nome en tant que passager silencieux et bien lev dans la cellule h te, se r pliquant en parall le avec l'ADN de la cellule h te (soit int gr dans le g nome h te, soit sous forme de plasmide extrachromosomique) au cours des cycles de division cellulaire ordinaires. Ces virus passeront d'un mode d'existence l'autre selon les circonstances, restant latents et inoffensifs pendant une longue p riode, mais prolif rant ensuite dans des cellules occasionnelles dans un processus qui tue la cellule h te et g n re un grand nombre de particules infectieuses. Aucune de ces conditions ne convertit la cellule h te en un caract re canc reux, et il n'est pas dans l'int r t du virus de le faire. Mais pour les virus phase latente, des accidents peuvent se produire qui activent pr matur ment certaines des prot ines virales que le virus utiliserait normalement dans sa phase r plicative pour permettre l'ADN viral de se r pliquer ind pendamment du cycle cellulaire. Comme d crit dans l'exemple ci-dessous, ce type d'accident peut d clencher la prolif ration persistante de la cellule h te elle-m me, conduisant au cancer. Les cancers du col de l'ut rus peuvent tre vit s par la vaccination contre le virus du papillome humain Les papillomavirus sont un excellent exemple de virus tumoraux ADN. Ils sont responsables des verrues humaines et sont particuli rement importants en tant que cause de carcinome du col de l'ut rus : c'est le deuxi me cancer le plus fr quent chez les femmes dans le monde, repr sentant environ 6% de tous les cancers humains. Les papillomavirus humains (VPH) infectent l' pith lium cervical et se maintiennent en phase latente dans la couche basale des cellules sous forme de plasmides extrachromosomiques, qui se r pliquent au rythme des chromosomes. Les particules virales infectieuses sont g n r es par un passage une phase de r plication dans les couches pith liales externes, car la descendance de ces cellules commence se diff rencier avant d' tre limin e de la surface. Ici, la division cellulaire devrait normalement s'arr ter, mais le virus interf re avec cet arr t du cycle cellulaire afin de permettre la r plication de son propre g nome. Habituellement, l'effet est limit aux couches externes des cellules et est relativement inoffensif, comme dans une verrue. Parfois, cependant, un accident g n tique fait en sorte que les g nes viraux qui codent pour les prot ines qui emp chent l'arr t du cycle cellulaire s'int grent dans le chromosome de l'h te et deviennent actifs dans la couche basale, o r sident les cellules souches de l' pith lium (voir Figure 22-10). Cela peut conduire un cancer, les g nes viraux agissant comme des oncog nes (Figure 20 40). L'ensemble du processus, de l'infection initiale au cancer invasif, est lent et prend de nombreuses ann es. Il s'agit d'une longue tape interm diaire lorsque la plaque affect e de l' pith lium cervical est visiblement d sordonn e, mais que les cellules n'ont pas encore commenc envahir le tissu conjonctif sous-jacent un ph nom ne appel n oplasie intra- pith liale. Beaucoup de ces l sions r gressent spontan ment. De plus, ce stade, il est encore facile de gu rir la maladie en d truisant ou en enlevant chirurgicalement le tissu anormal. Heureusement, la pr sence de telles l sions peut tre d tect e en grattant un chantillon de cellules la surface du col de l'ut rus et en l'observant au microscope (technique du frottis ). Mieux encore, un vaccin a t mis au point pour prot ger contre l'infection par les souches pertinentes du virus du papillome humain. Il a t d montr que ce vaccin, administr aux filles avant la pubert et donc avant qu'elles ne deviennent sexuellement actives, r duit consid rablement leur risque de d velopper un cancer du col de l'ut rus. tant donn que le virus se propage par l'activit sexuelle, il est maintenant recommand que les jeunes hommes et les jeunes femmes soient syst matiquement vaccin s. Des programmes de vaccination de masse ont t lanc s dans plusieurs pays. Figure 20 40 Comment certains papillomavirus seraient l'origine du cancer du col de l'ut rus. Les papillomavirus ont des chromosomes d'ADN circulaires double brin d'environ 8000 pair
Biologie moléculaire de la cellule	es de nucl otides. Ces chromosomes sont normalement maintenus de mani re stable dans les cellules basales de l' pith lium sous forme de plasmides (cercles rouges), dont la r plication est r gul e de mani re suivre le rythme des chromosomes de l'h te. (A) Normalement, le virus ne perturbe le cycle de la cellule h te que lorsque le virus est programm pour produire une descendance infectieuse, dans les couches externes d'un pith lium. C'est relativement inoffensif. (B) De rares accidents peuvent provoquer l'int gration d'un fragment d'un tel plasmide dans un chromosome de la h te, modifiant l'environnement des g nes viraux dans les cellules basales d'un pith lium. Cela peut perturber le contr le normal de l'expression des g nes viraux. La production non r gul e de certaines prot ines virales (E6 et E7) interf re avec le contr le de la division cellulaire dans les cellules basales, contribuant ainsi g n rer un cancer (en bas). Les prot ines virales interviennent dans la r plication contr l e du virus dans les couches cellulaires externes La production non r gul e de prot ines virales entra ne la prolif ration cellulaire dans la couche basale cellulaire Les agents infectieux peuvent causer le cancer de diverses fa ons Dans les papillomavirus, les g nes viraux qui sont principalement bl mer sont appel s E6 et E7. Les produits prot iques de ces oncog nes viraux interagissent avec de nombreuses prot ines de la cellule h te, mais, en particulier, ils se lient deux prot ines suppressives de tumeurs cl s de la cellule h te, les mettant toutes deux hors d'action et permettant ainsi la cellule de r pliquer son ADN et de se diviser de mani re incontr l e. L'une de ces prot ines h tes est Rb ; L'autre est P53. D'autres virus tumoraux ADN utilisent des m canismes similaires pour inhiber Rb et p53, soulignant l'importance centrale d'inactiver ces deux voies suppressives de tumeurs si une cellule veut chapper aux contraintes normales de prolif ration. Dans d'autres cancers, les virus ont des actions indirectes favorisant les tumeurs. Les virus de l'h patite B et C, par exemple, favorisent le d veloppement du cancer du foie en provoquant une inflammation chronique (h patite), qui stimule une division cellulaire tendue dans le foie qui favorise l' volution ventuelle des cellules tumorales. Dans le cas du sida, le virus de l'immunod ficience humaine (VIH) favorise le d veloppement d'un cancer autrement rare appel sarcome de Kaposi en d truisant le syst me immunitaire, permettant ainsi une infection secondaire par un herp svirus humain (HHV-8) qui a une action canc rog ne directe. En provoquant une inflammation s v re, l'infection chronique par des parasites et des bact ries peut galement favoriser le d veloppement de certains cancers. Par exemple, l'infection chronique de l'estomac par la bact rie Helicobacter pylori, qui provoque des ulc res, semble tre une cause majeure de cancer de l'estomac ; des baisses spectaculaires de l'incidence du cancer de l'estomac au cours du dernier demi-si cle (voir figures 20 39) sont corr l es une baisse de l'incidence des infections Helicobacter. La recherche de rem des contre le cancer est difficile mais pas d sesp r e La difficult de gu rir un cancer est similaire la difficult de se d barrasser des mauvaises herbes. Les cellules canc reuses peuvent tre enlev es chirurgicalement ou d truites avec des produits chimiques toxiques ou des radiations, mais il est difficile d' radiquer chacune d'entre elles. La chirurgie peut rarement d busquer toutes les m tastases, et les traitements qui tuent les cellules canc reuses sont g n ralement toxiques pour les cellules normales. De plus, contrairement aux cellules normales, les cellules canc reuses peuvent muter rapidement et d veloppent souvent une r sistance aux poisons et l'irradiation utilis s contre elles. Malgr ces difficult s, des rem des efficaces utilisant des m dicaments anticanc reux (seuls ou en combinaison avec d'autres traitements) ont d j t trouv s pour certains cancers autrefois tr s mortels, notamment le lymphome de Hodgkin, le cancer des testicules, le choriocarcinome et certaines leuc mies et autres cancers de l'enfant. M me pour les types de cancer o un rem de semble actuellement hors de notre port e, il existe des traitements qui prolongeront la vie ou au moins soulageront la d tresse. Mais quelles perspectives y a-t-il de faire mieux et de trouver des rem des aux formes de cancer les plus courantes, qui causent encore de grandes souffrances et tant de d c s ? Les th rapies traditionnelles exploitent l'instabilit g n tique et la perte des r ponses des points de contr le du cycle cellulaire dans les cellules canc reuses Les th rapies anticanc reuses doivent tirer parti d'une particularit mol culaire des cellules canc reuses qui les distingue des cellules normales. L'une de ces propri t s est l'instabilit g n tique, refl tant des d ficiences dans l'entretien des chromosomes, les poi
Biologie moléculaire de la cellule	nts de contr le du cycle cellulaire et/ou la r paration de l'ADN. Remarquablement, les th rapies anticanc reuses les plus largement utilis es semblent fonctionner en exploitant ces anomalies, bien que cela n'ait pas t connu par les scientifiques qui ont d velopp les premiers traitements. Les rayonnements ionisants et la plupart des m dicaments anticanc reux endommagent l'ADN ou interf rent avec la s gr gation des chromosomes la mitose, et ils tuent pr f rentiellement les cellules canc reuses parce que Les cellules canc reuses ont une capacit r duite survivre aux dommages. Les cellules normales trait es par rayonnement, par exemple, arr tent leur cycle cellulaire jusqu' ce qu'elles aient r par les dommages caus s leur ADN, gr ce aux r ponses des points de contr le du cycle cellulaire discut es au chapitre 17. Parce que les cellules canc reuses ont g n ralement des d fauts dans leurs r ponses de point de contr le, elles peuvent continuer se diviser apr s l'irradiation, pour mourir apr s quelques jours parce que les dommages g n tiques ne sont pas r par s. Plus g n ralement, la plupart des cellules canc reuses sont physiologiquement d rang es un degr stressant : elles vivent dangereusement. M me si les cellules d'une tumeur ont volu pour tre exceptionnellement tol rantes aux dommages mineurs l'ADN, elles sont hypersensibles la quantit beaucoup plus importante de dommages qui peuvent tre cr s par les radiations et par les m dicaments endommageant l'ADN. Une petite augmentation des dommages g n tiques peut suffire faire pencher la balance entre la prolif ration et la mort. Malheureusement, si les d fauts mol culaires pr sents dans les cellules canc reuses augmentent souvent leur sensibilit aux agents cytotoxiques, ils peuvent galement augmenter leur r sistance. Par exemple, l o une cellule normale peut mourir par apoptose en r ponse des dommages l'ADN, gr ce la r ponse au stress m di e par p53, une cellule canc reuse peut chapper l'apoptose parce que son p53 est d ficient. La sensibilit aux traitements cytotoxiques varie consid rablement d'un cancer, certains r pondant un m dicament, d'autres un autre, ce qui refl te probablement les types particuliers de d fauts qu'un cancer particulier pr sente dans la r paration de l'ADN, les points de contr le du cycle cellulaire et le contr le de l'apoptose. La radioth rapie et les m dicaments cytotoxiques traditionnels sont plut t peu s lectifs : ils blessent les cellules normales ainsi que les cellules canc reuses, et la marge de s curit est troite. La dose ne peut souvent pas tre suffisamment lev e pour tuer toutes les cellules canc reuses, car cela tuerait le patient, et les traitements curatifs, lorsqu'ils sont r alisables, n cessitent g n ralement une combinaison de plusieurs agents cytotoxiques. Les effets secondaires peuvent tre durs et difficiles supporter. Comment pouvons-nous faire mieux ? Un traitement id al est un traitement qui est l tal en combinaison avec une l sion pr sente dans les cellules canc reuses, mais inoffensif pour les cellules o cette l sion est absente. Un tel traitement est dit synth tique-l tal (au sens originel du mot synth se, signifiant assembler ) : il ne tue qu'en partenariat avec la mutation sp cifique du cancer. Alors que nous devenons de plus en plus en mesure d'identifier les alt rations sp cifiques des cellules canc reuses qui les rendent diff rentes de leurs voisines normales, de nouvelles opportunit s pour de tels traitements cibl s avec pr cision se profilent. Nous terminons ce chapitre par quelques exemples de nouveaux traitements de ce type qui sont d j mis en pratique. Comme nous l'avons soulign , l'instabilit g n tique des cellules canc reuses les rend la fois dangereuses et vuln rables dangereuses en raison de l'am lioration de leur capacit d' voluer et de prolif rer, et vuln rables parce qu'un traitement qui conduit des perturbations g n tiques encore plus extr mes peut les amener au bord du gouffre et les tuer. Dans certains cancers, l'instabilit g n tique r sulte d'un d faut identifi dans l'un des nombreux dispositifs dont d pendent les cellules normales pour la r paration et l'entretien de l'ADN. Dans ce cas, un m dicament est con u pour bloquer une partie compl mentaire de la machinerie de r paration de l'ADN peut entra ner des dommages g n tiques si graves que les cellules canc reuses meurent. Des tudes d taill es des m canismes de maintenance de l'ADN discut es au chapitre 5 r v lent une quantit surprenante de redondance apparente. Ainsi, l' limination d'une voie particuli re pour la r paration de l'ADN est g n ralement moins d sastreuse qu'on pourrait le penser, car il existe d'autres voies de r paration. Par exemple, des fourches de r plication d'ADN bloqu es peuvent appara tre lorsque la fourche rencontre une rupture simple brin dans un brin matrice, mais les cellules peuvent viter le d sastre qui en r sulterait autrement soit en r parant d
Biologie moléculaire de la cellule	irectement ces cassures simple brin, soit, si cela choue, en r parant la fourche cass e qui r sulte d'une recombinaison homologue (voir Figure 5-50). Supposons que les cellules d'un cancer particulier soient devenues g n tiquement instables en acqu rant une mutation qui r duit leur capacit r parer les fourches de r plication bris es par recombinaison homologue. Serait-il possible d' radiquer ce cancer en le traitant avec un m dicament qui inhibe la r paration des cassures monobrin, augmentant ainsi consid rablement le nombre de fourches qui se cassent ? On pourrait s'attendre ce que les cons quences d'un tel traitement m dicamenteux soient relativement inoffensives pour les cellules normales, mais mortelles pour le cancer. Cette strat gie semble fonctionner pour tuer les cellules d'au moins une classe de cancers ceux qui ont inactiv les deux copies de leur tumeur Brca1 ou Brca2 se maintiennent, en raison de g nes suppresseurs permanents. Comme d crit au chapitre 5, Brca2 est une prot ine accessoire qui interagit avec la prot ine Rad51 (l'analogue de RecA chez l'homme) dans la r paration des cassures double brin de l'ADN par recombinaison homologue. Brca1 est une autre prot ine qui est galement n cessaire ce processus de r paration. Comme Rb, les g nes Brca1 et Brca2 ont t d couverts comme des mutations qui pr disposent les humains au cancer dans ce cas, principalement les cancers du sein et des ovaires (bien que, contrairement Rb, ils ne semblent tre impliqu s que dans une petite proportion de ces cancers). Les individus qui h ritent d'une copie mutante de Brca1 ou Brca2 d veloppent des tumeurs qui ont inactiv la deuxi me copie du m me g ne, probablement parce que ce changement rend les cellules g n tiquement instables et acc l re la progression tumorale. Alors que Brca1 et Brca2 sont n cessaires la r paration des cassures double brin de l'ADN, les cassures simple brin sont r par es par d'autres machines, impliquant une enzyme appel e PARP (polyADP-ribose polym rase). Cette compr hension des m canismes de base de la r paration de l'ADN a conduit une d couverte frappante : les m dicaments qui bloquent l'activit de PARP tuent les cellules d ficientes en Brca avec une s lectivit extraordinaire. Dans le m me temps, l'inhibition de PARP a tr s peu d'effet sur les cellules normales ; en fait, les souris qui ont t modifi es pour tre d pourvues de PARP1 le principal membre de la famille PARP impliqu dans la r paration de l'ADN restent en bonne sant dans des conditions de laboratoire. Ce r sultat sugg re que, bien que la voie de r paration n cessitant PARP fournisse une premi re ligne de d fense contre les cassures persistantes d'un brin d'ADN, ces cassures peuvent tre r par es efficacement par une voie de recombinaison g n tique dans les cellules normales. En revanche, les cellules tumorales qui ont acquis leur instabilit g n tique par la perte de Brca1 ou Brca2 ont perdu cette deuxi me ligne de d fense, et elles sont donc particuli rement sensibles aux inhibiteurs de PARP (Figure 20 41). Les inhibiteurs de PARP sont encore en cours d'essais cliniques, mais ils ont produit des r sultats frappants, provoquant une r gression des tumeurs chez de nombreux patients d ficients en Brca et retardant la progression de leur maladie, avec relativement peu d'effets secondaires d sagr ables. Ces m dicaments semblent galement tre applicables aux cancers pr sentant d'autres mutations qui provoquent des d fauts dans la machinerie de recombinaison homologue de la cellule une proportion faible, mais significative, des cas de cancer. Figure 20 41 Comment l'instabilit g n tique d'une tumeur peut tre exploit e pour le traitement du cancer. Comme expliqu au chapitre 5, le maintien des s quences d'ADN est si essentiel la vie que les cellules ont d velopp de multiples voies pour r parer les dommages l'ADN et r duire les erreurs de r plication de l'ADN. Comme illustr , une fourche de r plication de l'ADN se bloque chaque fois qu'elle rencontre une rupture dans un brin de matrice d'ADN. Dans cet exemple, les cellules normales ont deux voies de r paration diff rentes qui les aident viter le probl me, les voies 1 et 2. Ils ne sont donc pas l s s par un traitement avec un m dicament qui bloque la voie de r paration 1. Mais, parce que l'inactivation de la voie de r paration 2 a t s lectionn e au cours de l' volution de la cellule tumorale, les cellules tumorales sont tu es par le m me traitement m dicamenteux. Dans le cas r el qui sous-tend cet exemple, la fonction de la voie de r paration 1 (n cessitant la prot ine PARP discut e dans le texte) est d' liminer les cassures persistantes et accidentelles d'un seul brin d'ADN avant qu'elles ne soient rencontr es par une fourche de r plication en mouvement. La voie 2 est le processus d pendant de la recombinaison (n cessitant les prot ines Brca2 et Brca1) pour r parer les fourches de r plication bloqu es illustr es aux figures 5 50. Les i
Biologie moléculaire de la cellule	nhibiteurs de PARP sont prometteurs pour le traitement des cancers avec des g nes suppresseurs de tumeurs Brca2 ou Brca1 d fectueux. L'inhibition de PARP fournit un exemple du type d'approche rationnelle et hautement s lective du traitement du cancer qui commence tre possible. Avec d'autres nouveaux traitements dont il sera question ci-dessous, il suscite de grands espoirs pour le traitement de nombreux autres cancers. De petites mol cules peuvent tre con ues pour inhiber des prot ines oncog nes sp cifiques Une tactique vidente pour traiter le cancer consiste attaquer une tumeur exprimant un oncog ne avec un m dicament con u pour bloquer sp cifiquement la fonction de la prot ine produite par l'oncog ne. Mais comment un tel traitement peut-il viter de nuire aux cellules normales qui d pendent de la fonction du proto-oncog ne partir duquel l'oncog ne a volu , et pourquoi le m dicament devrait-il tuer les cellules canc reuses, plut t que de simplement les calmer ? Une r ponse pourrait r sider dans le ph nom ne de d pendance oncog ne. Une fois qu'une cellule canc reuse a subi une mutation oncog ne, elle subira souvent d'autres mutations, des changements pig n tiques ou des adaptations physiologiques qui la rendent d pendante de l'hyperactivit de l'oncog ne initial, tout comme les toxicomanes deviennent d pendants de fortes doses de leur drogue. Le blocage de l'activit de la prot ine oncog ne peut alors tuer la cellule canc reuse sans nuire de mani re significative ses voisins normaux. Des succ s remarquables ont t obtenus de cette mani re. Comme nous l'avons vu pr c demment, la leuc mie my lo de chronique (LMC) est g n ralement associ e une translocation chromosomique particuli re, visible sous la forme du chromosome Philadelphie (voir Figure 20 5). Cela r sulte de la rupture des chromosomes et de leur r union aux sites de deux g nes sp cifiques, Abl et Bcr. La fusion de ces g nes cr e un g ne hybride, appel Bcr-Abl, qui code pour une prot ine chim rique compos e du fragment N-terminal de Bcr fusionn la partie C-terminale d'Abl (Figure 20 42). Abl est une tyrosine kinase impliqu e dans la signalisation cellulaire. La substitution du fragment Bcr l'extr mit N-terminale normale d'Abl le rend hyperactif, de sorte qu'il stimule la prolif ration inappropri e des cellules pr curseurs de l'h mopo tique qui le contiennent et emp che ces cellules de mourir par apoptose, ce que beaucoup d'entre elles feraient normalement. En cons quence, un nombre excessif de globules blancs s'accumulent dans la circulation sanguine, produisant la LMC. La prot ine chim rique Bcr-Abl est une cible vidente pour l'attaque th rapeutique. Des recherches de mol cules m dicamenteuses synth tiques capables d'inhiber l'activit des tyrosine kinases ont permis d'en d couvrir une, appel e imatinib (nom commercial Gleevec ), qui bloque Bcr-Abl (Figure 20 43). Lorsque le m dicament a t administr pour la premi re fois des patients atteints de LMC, presque tous ont montr une r ponse spectaculaire, avec une disparition apparente des cellules portant le chromosome Philadelphie chez plus de 80% des patients. La r ponse semble relativement durable : apr s des ann es de traitement continu, de nombreux patients n'ont pas progress vers les stades ult rieurs de la maladie, bien que des cancers r sistants l'imatinib mergent avec une probabilit d'environ 5 % par an au cours des premi res ann es. Figure 20 42 La conversion du proto-oncog ne Abl en oncog ne chez les patients atteints de leuc mie my lo de chronique. La translocation chromosomique responsable relie le g ne Bcr sur le chromosome 22 au g ne Abl du chromosome 9, g n rant ainsi un chromosome Philadelphie (voir Figure 20-5). La prot ine de fusion r sultante a l'extr mit N-terminale de la prot ine Bcr jointe l'extr mit C-terminale de la prot ine tyrosine kinase Abl ; en cons quence, le domaine kinase Abl devient ind ment actif, entra nant une prolif ration excessive d'un clone de cellules h mopo tiques dans la moelle osseuse. Figure 20 43 Comment l'imatinib (Gleevec) bloque l'activit de la prot ine Bcr-Abl et stoppe la leuc mie my lo de chronique. (A) L'imatinib se trouve dans la poche de liaison l'ATP du domaine tyrosine kinase de Bcr-Abl et emp che ainsi Bcr-Abl de transf rer un groupe phosphate de l'ATP sur un r sidu de tyrosine dans une prot ine de substrat. Cela bloque la transmission d'un signal de prolif ration cellulaire et de survie. (B) La structure du complexe de l'imatinib (objet bleu solide) avec le domaine tyrosine kinase de la prot ine Abl (diagramme en ruban), telle que d termin e par cristallographie aux rayons X. (C) La structure chimique du m dicament. Il peut tre administr par voie orale ; Il a des effets secondaires, mais ils sont g n ralement tout fait tol rables. (B, d'apr s T. Schindler et al., Science 289:1938-1942, 2000. Avec l'autorisation de l'AAAS.) Les r sultats ne sont pas aussi bons pour les patients qui ont d j p
Biologie moléculaire de la cellule	rogress vers la phase plus aigu de la leuc mie my lo de, connue sous le nom de crise blastique, o l'instabilit g n tique s'est install e et la progression de la maladie est beaucoup plus rapide. Ces patients pr sentent une r ponse dans un premier temps, puis une rechute car les cellules canc reuses d veloppent une r sistance l'imatinib. Cette r sistance est g n ralement associ e des mutations secondaires dans la partie du g ne Bcr-Abl qui code pour le domaine kinase, perturbant la capacit de l'imatinib se lier la kinase Bcr-Abl. Des inhibiteurs de deuxi me g n ration qui fonctionnent efficacement contre toute une gamme de mutants r sistants l'imatinib ont maintenant t d velopp s. En combinant un ou plusieurs de ces nouveaux inhibiteurs avec l'imatinib comme traitement initial (voir ci-dessous), il semble que la LMC, du moins au stade chronique (pr coce), soit en voie de devenir une maladie curable. Malgr les complications li es la r sistance, l'extraordinaire succ s de l'imatinib suffit faire comprendre un principe important : une fois que nous comprenons pr cis ment quelles l sions g n tiques sont apparues dans un cancer, nous pouvons commencer concevoir des m thodes rationnelles efficaces pour le traiter. Cette r ussite a aliment les efforts visant identifier de petites mol cules inhibitrices d'autres prot ines kinases oncog nes et les utiliser pour attaquer les cellules canc reuses appropri es. De plus en plus de personnes se d veloppent. Il s'agit notamment de mol cules qui ciblent le r cepteur EGF et qui sont actuellement approuv es pour le traitement de certains cancers du poumon, ainsi que de m dicaments qui ciblent sp cifiquement l'oncoprot ine B-Raf dans les m lanomes. Les prot ines kinases ont t relativement faciles inhiber avec de petites mol cules comme l'imatinib, et de nombreux inhibiteurs de kinases sont produits par les soci t s pharmaceutiques dans l'espoir qu'ils puissent tre efficaces comme m dicaments pour certaines formes de cancer. De nombreux cancers n'ont pas de mutation oncog nique dans une prot ine kinase. Mais la plupart des tumeurs contiennent des voies de signalisation activ es de mani re inappropri e, pour lesquelles une cible quelque part dans la voie peut, esp rons-le, tre trouv e (Movie 20.7). titre d'exemple, la figure 20-44 montre certains des m dicaments anticanc reux et des cibles m dicamenteuses qui sont actuellement test s pour une voie fr quemment activ e dans les cancers. De nombreux cancers peuvent tre trait s en am liorant la r ponse immunitaire contre la tumeur sp cifique Les cancers ont des interactions complexes avec le syst me immunitaire, et ses diff rents composants peuvent parfois aider et entraver la progression tumorale. Mais depuis plus d'un si cle, les chercheurs sur le cancer r vent d'exploiter le syst me immunitaire d'une mani re contr l e et efficace pour exterminer les cellules canc reuses, tout comme il extermine les organismes infectieux. Il y a enfin des signes que ce r ve pourrait un jour se r aliser, au moins pour certaines formes de cancer. Le type de th rapie immunologique le plus simple, du moins sur le plan conceptuel, consiste injecter au patient des anticorps qui ciblent les cellules canc reuses. Cette approche a connu quelques succ s. Environ 25 % des cancers du sein, par exemple, expriment des niveaux anormalement lev s de la prot ine Her2, un r cepteur tyrosine kinase li au r cepteur EGF qui joue un r le dans le d veloppement normal de l' pith lium mammaire. Un anticorps monoclonal appel trastuzumab (nom commercial Herceptin ) qui se lie Her2 et inhibe sa fonction ralentit la croissance des tumeurs du sein chez l'homme qui surexpriment Her2, et il s'agit d sormais d'un traitement approuv pour ces cancers (voir Figure 20-44). Une approche connexe utilise des anticorps pour d livrer des poisons aux cellules canc reuses. Les anticorps dirig s contre les prot ines qui sont abondantes la surface d'un type particulier de cellule canc reuse, mais rares sur les cellules normales, peuvent tre arm s d'une toxine qui tue les cellules qui se lient la mol cule d'anticorps. Une grande partie de l'enthousiasme actuel se concentre autour d'un type d'approche diff rent, bas sur la reconnaissance relativement r cente que le microenvironnement d'une tumeur est hautement immunosuppresseur. En cons quence, le syst me immunitaire de la victime du cancer est emp ch de d truire les cellules tumorales. Rappelons que, partir des milliers de s quences g nomiques d termin es jusqu' pr sent, nous savons qu'une cellule canc reuse typique contiendra de l'ordre de 50 prot ines avec une mutation qui modifie une s quence d'acides amin s, la plupart d'entre elles tant des mutations passag res , comme expliqu pr c demment (voir p. 1104). Beaucoup de ces prot ines mutantes seront reconnues par le syst me immunitaire du patient comme trang res, mais pour permettre aux cellules canc reuses de survivre tout a
Biologie moléculaire de la cellule	u long de la progression de la tumeur, les cellules canc reuses ont d velopp un ensemble de d fenses anti-immunitaires. Ceux-ci Figure 20 44 Certains m dicaments anticanc reux et cibles m dicamenteuses dans la voie de signalisation Ras-MAP-kinase. Chacune des prot ines de signalisation de ce sch ma a t identifi e comme le produit d'un g ne critique pour le cancer, l'exception de Raf1 et Erk. Cette voie de signalisation Ras-MAP-kinase est d clench e par une vari t de r cepteurs tyrosine kinases (RTK), y compris le r cepteur EGF (voir figures 15-47 et 15-49). Les m dicaments qui sont des anticorps se terminent par mab , tandis que ceux qui sont de petites mol cules se terminent par nib . (Adapt de B. Vogelstein et al, Science 339:1546-1558, 2013.) Les d fenses comprennent l'expression la surface des cellules canc reuses d'une ou plusieurs prot ines qui se lient aux r cepteurs inhibiteurs des lymphocytes T activ s. Le syst me immunitaire normal est soumis des contr les complexes qui maintiennent son activit dans des limites s res et emp chent l'auto-immunit de se d velopper. Les r cepteurs inhibiteurs qui sont exprim s la surface des lymphocytes T activ s ont une fonction normale importante : ils contr lent la r ponse immunitaire en r gulant la baisse la r ponse des lymphocytes T dans des circonstances appropri es. Mais dans le contexte d'une tumeur, la r gulation la baisse est inappropri e, car elle emp che l'organisme de tuer les cellules canc reuses qui menacent sa survie. Dans son attaque contre les organismes infectieux, le syst me immunitaire naturel limine g n ralement toute trace d'infection et maintient cette immunit long terme. Le d fi consiste trouver des moyens de recruter le syst me immunitaire pour attaquer les cancers avec une efficacit et une sp cificit similaires, en traquant les cellules canc reuses en vertu des antig nes sp cifiques de la tumeur qu'elles expriment. Dans ce but, un nouveau type de th rapie anticanc reuse se concentre sur la r solution de l'environnement immunosuppresseur d'une tumeur gr ce l'utilisation d'anticorps sp cifiques qui emp chent les cellules tumorales de s'engager avec les r cepteurs inhibiteurs des cellules T. Comme l'illustre la figure 20-45A, le blocage de l'action des immunosuppresseurs avec de tels traitements devrait d clencher une attaque immunitaire sur les cellules canc reuses. Il est important de noter que plusieurs antig nes sont reconnus comme trangers ; ainsi, les cellules canc reuses ne peuvent pas s' chapper par la perte mutationnelle d'un seul antig ne, ce qui rend difficile pour la tumeur d' chapper l'attaque des lymphocytes T. Il s'agit d'une strat gie potentiellement dangereuse. Si l'on provoque le syst me immunitaire reconna tre les cellules canc reuses comme des cibles de destruction, il existe un risque d'effets secondaires auto-immuns avec des cons quences d sastreuses pour les tissus normaux du corps, puisque les cellules canc reuses et les cellules normales sont de proches cousins et partagent la plupart de leurs caract ristiques mol culaires. N anmoins, plusieurs succ s r cents semblent tr s prometteurs pour l'avenir. L'une des nombreuses mol cules impliqu es dans le maintien de l'activit du syst me immunitaire normal dans des limites s res est une prot ine appel e CTLA4 (prot ine 4 associ e aux lymphocytes T cytotoxiques), qui fonctionne comme un r cepteur inhibiteur la surface des lymphocytes T. Si la fonction de CTLA4 est bloqu e, les lymphocytes T deviennent plus r actifs et peuvent monter une attaque sur les cellules qu'ils laisseraient autrement en paix. En particulier, les lymphocytes T peuvent attaquer les cellules tumorales qui sont reconnaissables comme anormales mais dont la pr sence tait auparavant tol r e. C'est dans cet esprit que les immunologistes du cancer ont mis au point un anticorps monoclonal, appel ipilimumab, qui se lie CTLA4 et bloque son action. Inject plusieurs reprises chez des patients atteints d'un m lanome m tastatique, cet anticorps augmente leur dur e de vie m diane de plusieurs mois et, dans le cadre d'un vaste essai, a permis un quart d'entre eux de survivre pendant cinq ans Figure 20 45 Th rapies con ues pour liminer le microenvironnement immunosuppresseur dans les tumeurs. (A) Les cellules des tumeurs produiront de nombreuses prot ines mutantes. Comme d crit au chapitre 24, les peptides de ces prot ines seront affich s sur les complexes MhC la surface de la cellule tumorale et activeraient normalement une r ponse des lymphocytes T qui d truit la tumeur (voir Figure 24-42). Cependant, comme illustr sch matiquement, au cours de la progression tumorale, les cellules canc reuses ont d velopp des m canismes immunosuppresseurs qui les prot gent d'une telle destruction. (B) Les cellules tumorales se prot gent souvent contre les attaques immunitaires en exprimant leur surface des prot ines qui se lient aux r cepteurs inhibiteurs des lymphocytes
Biologie moléculaire de la cellule	T et les activent ainsi. Comme indiqu , cela rend la tumeur sensible des th rapies par anticorps sp cifiques. Dans ce diagramme, deux de ces r cepteurs inhibiteurs sont repr sent s, PD1 et une prot ine X hypoth tique. On pense que diff rentes tumeurs se prot gent en activant diff rents membres d'un large ensemble de r cepteurs inhibiteurs des lymphocytes T, dont certains ne sont pas encore bien caract ris s. ou plus, bien au-del des attentes de patients comparables sans ce traitement. Des essais cliniques r cents utilisant une combinaison de deux anticorps, l'un contre CTLA4 et l'autre contre PD1, un deuxi me r cepteur de surface cellulaire sur les lymphocytes T qui limite normalement leur activit , sont encore plus prometteurs. Dans les essais cliniques utilisant de telles techniques, une fraction substantielle des patients peut r agir de mani re spectaculaire, leur cancer tant pouss en r mission pendant des ann es, tandis que le traitement n'aide pas d'autres personnes atteintes du m me type de cancer. Une explication possible est que, alors que la plupart des tumeurs expriment des prot ines qui prot gent partir de l'attaque des lymphocytes T, ces prot ines sont diff rentes pour diff rentes tumeurs. Ainsi, alors que certaines tumeurs r agissent de mani re spectaculaire lorsqu'elles sont trait es avec un anticorps qui bloque un agent immunosuppresseur particulier, beaucoup d'autres ne le feront pas. Si c'est vrai, on peut pr voir une re d'immunoth rapie personnalis e, dans laquelle la tumeur de chaque patient est analys e mol culairement pour d terminer ses m canismes particuliers d'immunosuppression. Le patient serait ensuite trait avec un cocktail sp cifique d'anticorps con u pour liminer ces blocs (voir Figure 20-45). Les cancers d veloppent une r sistance aux th rapies Les grands espoirs doivent tre temp r s par des r alit s qui donnent r fl chir. Nous avons vu que l'instabilit g n tique peut fournir un talon d'Achille que les th rapies anticanc reuses peuvent exploiter, mais en m me temps, elle peut rendre l' radication de la maladie plus difficile en permettant aux cellules canc reuses de d velopper une r sistance aux m dicaments th rapeutiques, souvent un rythme alarmant. Cela s'applique m me aux m dicaments qui ciblent l'instabilit g n tique elle-m me. Ainsi, les inhibiteurs de PARP donnent une r mission pr cieuse de la maladie, mais long terme, la maladie revient g n ralement. Par exemple, les cancers d ficients en Brca peuvent parfois d velopper une r sistance aux inhibiteurs de PARP en subissant une deuxi me mutation dans un g ne Brca affect qui restaure sa fonction. ce moment-l , le cancer est d j hors de contr le et il est peut- tre trop tard pour affecter l' volution de la maladie avec des traitements suppl mentaires. Il existe de nombreuses strat gies diff rentes par lesquelles les cancers peuvent d velopper une r sistance aux m dicaments anticanc reux. Souvent, la taille d'un cancer est consid rablement r duite par un traitement m dicamenteux initial, toutes les cellules tumorales d tectables semblant dispara tre. Mais des mois ou des ann es plus tard, le cancer r appara tra sous une forme alt r e qui r siste au m dicament qui a d'abord connu un tel succ s. Dans de tels cas, le traitement m dicamenteux initial n'a manifestement pas r ussi d truire une infime fraction des cellules de la population tumorale d'origine. Ces cellules ont chapp la mort parce qu'elles sont porteuses d'une mutation protectrice ou d'un changement pig n tique, ou peut- tre simplement parce qu'elles se cachaient dans un environnement prot g . Ils finissent par r g n rer le cancer en continuant prolif rer, en mutant et en voluant encore plus au fur et mesure. Dans certains cas, les cellules expos es un m dicament anticanc reux d veloppent une r sistance non seulement ce m dicament, mais aussi d'autres m dicaments auxquels elles n'ont jamais t expos es. Ce ph nom ne de multir sistance aux m dicaments est fr quemment corr l l'amplification d'une partie du g nome qui contient un g ne appel Mdr1 ou Abcb1. Ce g ne code pour une ATPase de transport li e la membrane plasmique de la superfamille des transporteurs ABC (discut e au chapitre 11), qui pompe les m dicaments lipophiles hors de la cellule (voir la vid o 11.5). La surproduction de cette prot ine (ou de certains de ses autres membres de la famille) par une cellule canc reuse peut emp cher l'accumulation intracellulaire de nombreux m dicaments cytotoxiques, ce qui rend la cellule insensible ceux-ci. Dans la lutte entre le cancer m tastatique avanc et le th rapeute, dans l' tat actuel de la pratique, le cancer finit g n ralement par l'emporter. Doit-il en tre ainsi ? Comme nous le verrons ci-dessous, il y a des raisons de penser qu'en attaquant un cancer avec plusieurs armes la fois au lieu de les utiliser l'une apr s l'autre, chacune jusqu' ce qu'il choue il pourrait tre possible de faire beaucoup mi
Biologie moléculaire de la cellule	eux. Les th rapies combin es peuvent r ussir l o les traitements avec un m dicament la fois chouent De nos jours, les cancers d tect s un stade pr coce peuvent souvent tre gu ris, par la chirurgie, la radioth rapie ou les m dicaments. Cependant, pour la plupart des cancers qui ont progress et se sont largement m tastas s, la gu rison est encore hors de nous. Des traitements tels que ceux d crits ci-dessus ne peuvent aucune cellule n'est r sistante CANCER CURED = cellule r sistante Ato les deux m dicaments = cellule r sistante A et B (B) donnent des r missions pr cieuses, mais t t ou tard celles-ci sont g n ralement suivies d'une rechute. N anmoins, pour certaines formes relativement rares de cancer avanc , des th rapies curatives ont t d velopp es. Ceux-ci impliquent g n ralement un cocktail de plusieurs agents anticanc reux diff rents : par essais et erreurs, certaines combinaisons de m dicaments cytotoxiques ont t trouv es pour radiquer compl tement le cancer. Jusqu' pr sent, la d couverte de telles combinaisons a n cessit une recherche longue et difficile. Mais maintenant, arm s de nos nouveaux outils d'identification Les l sions g n tiques sp cifiques que contiennent les cellules canc reuses sont meilleures. La logique des th rapies combin es est la m me que celle qui sous-tend le traitement actuel du VIH-sida avec un cocktail de trois inhibiteurs de prot ase diff rents : alors qu'il peut toujours y avoir des cellules dans la population initiale porteuses des mutations rares qui conf rent une r sistance un traitement m dicamenteux, il ne devrait pas y avoir de cellule porteuse de l'ensemble des mutations rares qui conf reraient une r sistance plusieurs m dicaments diff rents administr s simultan ment. En revanche, les traitements m dicamenteux s quentiels permettront aux quelques cellules r sistantes au premier m dicament de se multiplier en grand nombre. Au sein de cette grande population de cellules r sistantes au premier m dicament, il est probable qu'un petit nombre de cellules r sistantes au m dicament suivant soient apparues et qu'elles soient galement r sistantes au m dicament suivant ; et ainsi de suite (figures 20 46). Nous disposons d sormais des outils n cessaires pour concevoir des th rapies combin es adapt es chaque patient Une th rapie m dicamenteuse combin e efficace et rationnelle n cessite trois choses. Tout d'abord, nous devons identifier les multiples particularit s des cellules canc reuses qui les rendent vuln rables d'une mani re que les cellules normales ne sont pas. Deuxi mement, nous devons concevoir des m dicaments (ou d'autres traitements) qui ciblent chacune de ces vuln rabilit s. Troisi mement, nous devons faire correspondre la combinaison de m dicaments l'ensemble sp cifique de particularit s pr sentes dans les cellules canc reuses de chaque patient. La premi re exigence est d j partiellement satisfaite : nous disposons d sormais de vastes catalogues de g nes critiques pour le cancer qui sont couramment mut s dans les cellules canc reuses. La deuxi me exigence est plus difficile, mais r alisable : nous avons d crit quelques succ s r cents remarquables, et pour les chercheurs sur le cancer, il y a de l'excitation dans l'air. Il est de plus en plus possible d'utiliser nos connaissances croissantes en biologie cellulaire et mol culaire pour concevoir de nouveaux m dicaments contre des cibles d sign es. Dans le m me temps, il existe des m thodes automatis es efficaces et haut d bit pour cribler de grandes biblioth ques de produits chimiques susceptibles d' tre efficaces contre les cellules pr sentant un d faut donn li au cancer. Dans de telles recherches, l'objectif est la l talit synth tique : une mort cellulaire qui se produit lorsqu'et seulement lorsqu'un m dicament particulier est associ une anomalie cellulaire canc reuse particuli re. Gr ce ces approches et d'autres, le r pertoire de m dicaments anticanc reux cibl s avec pr cision augmente rapidement. Figure 20 46 Pourquoi les traitements multim dicamenteux peuvent tre plus efficaces que les traitements s quentiels pour le traitement du cancer. (A) Parce que les cellules tumorales sont hypermutables, deux traitements m dicament unique administr s s quentiellement permettent souvent de s lectionner des clones de cellules mutantes r sistantes aux deux m dicaments. (B) Un traitement simultan avec les deux m dicaments peut tre plus efficace. Cela nous am ne la troisi me exigence : le traitement le choix des m dicaments associer doit tre adapt chaque patient. Ici aussi, les perspectives sont brillantes. Les cancers voluent par un processus fondamentalement al atoire, et chaque patient est diff rent ; Mais les m thodes modernes d'analyse du g nome nous permettent maintenant de caract riser les cellules d'une biopsie tumorale de mani re exhaustive afin de d couvrir quels g nes critiques du cancer sont affect s dans un cas particulier. Certes, ce n'est pas sim
Biologie moléculaire de la cellule	ple : les cellules tumorales d'un patient sont h t rog nes et ne contiennent pas toutes les m mes l sions g n tiques. Cependant, avec une meilleure compr hension des voies d' volution du cancer et avec l'exp rience acquise dans de nombreux cas diff rents, il devrait devenir possible de faire de bonnes suppositions sur les th rapies optimales utiliser. Du point de vue du patient, le rythme des progr s dans la recherche sur le cancer peut sembler frustrant et lent. Chaque nouveau m dicament doit tre test en clinique, d'abord pour en v rifier l'innocuit , puis pour en v rifier l'efficacit , avant de pouvoir tre mis sur le march pour un usage g n ral. Et si le m dicament doit tre utilis en combinaison avec d'autres, le traitement combin doit alors passer par le m me long processus. Des r gles thiques strictes limitent la conduite des essais, ce qui signifie qu'ils prennent du temps, g n ralement plusieurs ann es. Mais des pas lents et prudents, pris syst matiquement dans la bonne direction, peuvent conduire de grands progr s. Il reste encore beaucoup faire, mais les exemples que nous avons voqu s constituent une preuve de principe et des raisons d' tre optimistes. Gr ce l'effort de recherche sur le cancer, nous avons appris beaucoup de ce que nous savons sur la biologie mol culaire de la cellule normale. Aujourd'hui, nous d couvrons de plus en plus comment mettre ces connaissances profit dans la lutte contre le cancer lui-m me. Notre compr hension croissante de la biologie cellulaire des cancers a d j commenc conduire de meilleures fa ons de pr venir, de diagnostiquer et de traiter ces maladies. Les th rapies anticanc reuses peuvent tre con ues pour d truire les cellules canc reuses de pr f rence en exploitant les propri t s qui distinguent les cellules canc reuses des cellules normales, y compris la d pendance des cellules canc reuses aux prot ines oncog nes et les d fauts qu'elles abritent dans leurs m canismes de r paration de l'ADN. Nous avons maintenant de bonnes preuves qu'en am liorant notre compr hension des m canismes de contr le cellulaire normaux et de la fa on exacte dont ils sont subvertis dans des cancers sp cifiques, nous pouvons ventuellement concevoir des m dicaments pour tuer les cancers pr cis ment en attaquant des mol cules sp cifiques essentielles la croissance et la survie des cellules canc reuses. De plus, de grands progr s ont r cemment t r alis s gr ce des approches immunologiques sophistiqu es du traitement du cancer. Et, mesure que nous devenons mieux en mesure de d terminer quels g nes sont modifi s dans les cellules d'une tumeur donn e, nous pouvons commencer adapter les traitements avec plus de pr cision chaque patient. Quelles d clarations sont vraies ? Expliquez pourquoi ou pourquoi pas. Que faut-il pour qu'une cellule canc reuse puisse m tastaser ? Comment l'analyse mol culaire d'une tumeur individuelle peut-elle tre utilis e plus efficacement pour concevoir des th rapies efficaces pour la tuer ? Pouvons-nous identifier des caract ristiques g n rales communes toutes les cellules canc reuses, telles que leur production de prot ines mut es et mal repli es, qui peuvent tre utilis es pour la destruction cibl e de nombreux types de cancers ? Des tests sanguins sensibles et fiables peuvent-ils tre con us pour d tecter les cancers tr s t t, avant qu'ils n'aient atteint une taille telle que le traitement avec un seul m dicament sera g n ralement annul par la survie d'une variante r sistante pr existante ? Comment les effets environnementaux observ s sur les taux de cancer peuvent-ils tre exploit s pour r duire les cancers vitables ? De nouvelles technologies peuvent-elles tre con ues pour r v ler exactement comment une microm tastase quiescente se transforme en une tumeur m tastatique part enti re ? 20 1 Le canc rog ne chimique dim thylbenz[a]anthra-20 4 Les principales causes environnementales du cancer sont le c ne (DMBA) doit tre un produit mutag ne extraordinairement sp cifique de notre mode de vie hautement industrialis , comme puisque 90% des tumeurs cutan es qu'il provoque ont une alt ration de la pollution A T et des additifs alimentaires. ation exactement au m me endroit dans le g ne mutant Ras. Discutez des probl mes suivants. 20 2 Dans les voies de r gulation cellulaire qui contr lent 20 5 Contrairement au cancer du c lon, dont l'incidence de la croissance et de la prolif ration cellulaires, les produits des oncog nes augmentent consid rablement avec l' ge, l'incidence des composants stimulants de l'ost osarare et les produits du coma tumoral une tumeur qui se produit le plus souvent dans les g nes suppresseurs longs sont des composants inhibiteurs. os culmine l'adolescence. Les ost osarcomes sont relativement rares chez les jeunes enfants (jusqu' l' ge de 9 ans) et chez les adultes de 20 3 ans. Pourquoi supposez-vous que l'incidence des cellules qui se divisent ost o de et qui constituent la majeure p
Biologie moléculaire de la cellule	artie d'une tumeur sont des sarcomes ne montre pas le m me type de d pendance l' ge, peu susceptible d' liminer le cancer chez de nombreux patients. comme cancer du c lon ? Mortalit par cancer du poumon, risque cumul (%) Figure Q20 1 Risque cumulatif de mortalit par cancer du poumon chez les non-fumeurs, les fumeurs et les anciens fumeurs (Probl me 20 6). Le risque cumulatif est le total cumul des d c s, en pourcentage, pour chaque groupe. Ainsi, pour les fumeurs continus, 1% sont morts d'un risque de cancer du poumon de 5%) ; et 11 % de risque cumulatif en plus de 16 %). 20 6 La mortalit due au cancer du poumon a t suivie dans des groupes d'hommes au Royaume-Uni pendant 50 ans. La figure Q20 1 montre le risque cumulatif de mourir d'un cancer du poumon en fonction de l' ge et des habitudes tabagiques pour quatre groupes d'hommes : ceux qui n'ont jamais fum , ceux qui ont cess de fumer 30 ans, ceux qui ont cess de fumer et ceux qui ont continu fumer. Ces donn es montrent clairement que les individus peuvent r duire consid rablement leur risque cumulatif de mourir d'un cancer du poumon en arr tant de fumer. Selon vous, quelle est la base biologique de cette observation ? Une petite fraction 2 3 % de tous les cancers, dans de nombreux sous-types, pr sente un ph nom ne tout fait remarquable : des dizaines des centaines de r arrangements qui impliquent principalement un seul chromosome, ou r gion chromosomique. Les points d'arr t peuvent tre troitement regroup s, avec plusieurs dans quelques kilobases ; les jonctions des r arrangements impliquent souvent des segments d'ADN qui n' taient pas l'origine proches les uns des autres sur le chromosome. Le nombre de copies de divers segments dans le chromosome r arrang s'est av r tre soit z ro, indiquant une d l tion, soit un, indiquant une r tention. Vous pouvez imaginer deux fa ons dont de tels r arrangements multiples et localis s pourraient se produire : un mod le de r arrangements progressifs avec des inversions, des suppressions et des duplications continues impliquant une zone localis e, ou un mod le catastrophique dans lequel le chromosome est bris en fragments qui sont recousus ensemble dans un ordre al atoire par une jonction d'extr mit non homologues (Figure Q20 2). Un. Lequel des deux mod les de la figure Q20-2 rend le plus facilement compte des caract ristiques de ces chromosomes fortement r arrang s ? Expliquez votre raisonnement. B. Quel que soit le mod le que vous choisissez, sugg rez comment de tels r arrangements multiples pourraient survenir. (Le v ritable m canisme n'est pas connu.) C. Pensez-vous que de tels r arrangements sont susceptibles d' tre des v nements causaux dans les cancers dans lesquels ils se trouvent, ou sont-ils probablement simplement des v nements passagers qui ne sont pas li s au cancer ? Si vous pensez qu'il pourrait s'agir d' v nements moteurs, sugg rez comment de tels r arrangements pourraient activer un oncog ne ou inactiver un g ne suppresseur de tumeur. Pratiquement tous les traitements du cancer sont con us pour tuer les cellules canc reuses, g n ralement en induisant l'apoptose. Cependant, un cancer particulier, la leuc mie promy lo de aigu (LPA), a t trait avec succ s avec de l'acide tout-trans-r tino que, qui provoque la diff renciation des promy locytes en neutrophiles. Comment un changement dans l' tat de diff renciation des cellules canc reuses APL pourrait-il aider le patient ? L'un des principaux objectifs de la th rapie moderne contre le cancer est d'identifier de petites mol cules des m dicaments anticanc reux qui peuvent tre utilis es pour inhiber les produits de g nes sp cifiques critiques au cancer. Si vous tiez la recherche de telles mol cules, concevriez-vous des inhibiteurs pour les produits des oncog nes ou les produits des g nes suppresseurs de tumeurs ? Expliquez pourquoi vous s lectionneriez (ou non) chaque type de g ne. (perdu dans son portable) Figure Q20 2 Deux mod les pour expliquer les r arrangements chromosomiques multiples et localis s trouv s dans certains cancers (Probl me 20 7). Le mod le des r arrangements progressifs montre une s quence de r arrangements qui perturbe le chromosome, g n rant des configurations chromosomiques de plus en plus complexes. Le mod le de catastrophe chromosomique montre que le chromosome est fragment puis r assembl au hasard, avec quelques morceaux laiss s de c t . La polyadp-ribose polym rase 20 10 (PARP) joue un r le cl dans la r paration des cassures monocat naires de l'ADN. Dans le pr sence de l'inhibiteur de PARP olaparib, les cassures simple brin s'accumulent. Lorsqu'une fourche de r plication rencontre une rupture de brin sinus, elle la convertit en une cassure double brin, qui dans les cellules normales est ensuite r par e par recombinaison homologue. Dans les cellules d fectueuses pour la recombinaison homologue, cependant, l'inhibition de PARP d clenche la mort cellulaire. Les patientes qui
Biologie moléculaire de la cellule	n'ont qu'une seule copie fonctionnelle du g ne Brca1, qui est n cessaire la recombinaison homologue, courent un risque beaucoup plus lev de cancer du sein et de l'ovaire. Les cancers qui apparaissent dans ces tissus chez ces patients peuvent tre trait s avec succ s avec l'olaparib. Expliquez comment il se fait que le traitement par l'olaparib tue les cellules canc reuses chez ces patients, mais n'endommage pas leurs cellules normales. Le diable de Tasmanie, un marsupial australien carnivore, est menac d'extinction par la propagation d'une maladie mortelle dans laquelle une tumeur bucco-faciale maligne interf re avec la capacit de l'animal se nourrir. Vous avez t appel analyser la source de ce cancer inhabituel. Il vous semble clair que le cancer se propage d'une mani re ou d'une autre d'un diable l'autre, tr s probablement par leurs combats fr quents, qui s'accompagnent de morsures autour du visage et de la bouche. Pour d couvrir la source du cancer, vous isolez les tumeurs de 11 diables captur s dans des r gions tr s loign es les unes des autres et les examinez. Comme on pouvait s'y attendre, les caryotypes des cellules tumorales sont fortement r arrang s par rapport ceux du diable de type sauvage (Figure Q20 3). tonnamment, vous constatez que les caryotypes des 11 chantillons de tumeurs sont tr s similaires. De plus, l'un des diables de Tasmanie a une inversion sur le chromosome 5 qui n'est pas pr sente dans sa tumeur faciale. Comment pensez-vous que ce cancer se transmet de diable diable ? Est-il susceptible de survenir la suite d'une infection par un virus ou un micro-organisme ? Expliquez votre raisonnement. Figure Q20 3 Caryotypes de cellules de diables de Tasmanie (Probl me 20 11). (A) Un diable de Tasmanie. (B) Caryotype normal pour un diable de Tasmanie m le. Le caryotype poss de 14 chromosomes, dont XY. (C) Caryotype des cellules canc reuses trouv es dans chacune des 11 tumeurs faciales tudi es. Le caryotype a 13 chromosomes, aucun chromosome sexuel, aucune paire de chromosomes 2, un chromosome 6, deux chromosomes 1 avec de longs bras supprim s et quatre chromosomes marqueurs fortement r arrang s (M1-M4). (A, reproduit avec l'aimable autorisation du Museum Victoria ; B et C, partir de A.M. Pearse et K. Swift, Nature 439:549, 2006. Avec l'autorisation de Macmillan Publishers Ltd.) Bishop JM (2004) Comment gagner le prix Nobel : une vie inattendue dans la science. Cambridge, MA : Harvard University Press. hanahan D & Weinberg RA (2011) caract ristiques du cancer : la prochaine g n ration. Cellule 144, 646 674. Vogelstein B, Papadopoulos N, Velculescu VE et al. (2013) Paysages du g nome du cancer. Science 339, 1546 1558. Weinberg RA (2013) La biologie du cancer, 2e d. Garland Science : New York. Le cancer en tant que processus micro volutif Brown, JM & Attardi, LD (2005) Le r le de l'apoptose dans le d veloppement du cancer et la r ponse au traitement. Nat. Rev. Cancer 5, 231-237. Chambers AF, Naumov GN, Vantyghem S & Tuck AB (2000) Biologie mol culaire des m tastases du cancer du sein. Implications cliniques des tudes exp rimentales sur l'inefficacit m tastatique. Cancer du sein Res. 2, 400 407. Chi P, Allis CD & Wang GG (2010) Modifications covalentes des histones - mal crites, mal interpr t es et mal effac es dans les cancers humains. Nat. Rev. Cancer 10, 457 469. Fidler IJ (2003) La pathogen se des m tastases canc reuses : l'hypoth se graine et sol revisit e. Nat. Rev. Cancer 3, 453 458. hoeijmakers JhJ (2001) M canismes de maintenance du g nome pour la pr vention du cancer. Nature 411, 366 374. Joyce JA & Pollard JW (2009) R gulation microenvironnementale des m tastases. Nat. Rev. Cancer 9, 239-252. Lowe SW, Cepero E & Evan G (2004) Suppression tumorale intrins que. Nature 432, 307-315.Nowell PC (1976) L' volution clonale des populations de cellules tumorales. Science 194, 23 28. Stephens PJ, McBride DJ, Lin M-L et al. (2009) Paysages complexes de r arrangement somatique dans les g nomes du cancer du sein humain. Nature 462, 1005 1010. Thiery JP (2002) Transitions pith liales-m senchymateuses dans la progression tumorale. Nat. Rev. Cancer 2, 442-454. Vander heiden MG, Cantley LC & Thompson CB (2009) Comprendre l'effet Warburg : les exigences m taboliques de la prolif ration cellulaire. Science 324, 1029 1033. Zink D, Fischer Ah & Nickerson JA (2004) Structure nucl aire dans les cellules canc reuses. Nat. Rev. Cancer 4, 677-687. G nes critiques pour le cancer : comment ils sont d tect s et ce qu'ils font Berdasco M & Esteller M (2010) Paysage pig n tique aberrant dans le cancer : comment l'identit cellulaire se d r gle. Cellule de d veloppement 19, 698 711. Brognard, J & hunter, T (2011) R seaux de signalisation de la prot ine kinase dans le cancer. Curr. Opin. Genette. Dev. 21, 4-11. Eilers M & Eisenman R (2008) La vaste port e de Myc. Genes Dev. 22, 2755 2766.Feinberg AP (2007) Plasticit ph notypique et pig n tique
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Biologie moléculaire de la cellule	incipalement sur les animaux. Quatre processus sont fondamentaux pour le d veloppement animal : (1) la prolif ration cellulaire, qui produit de nombreuses cellules partir d'une seule ; (2) les interactions cellule-cellule, qui coordonnent le comportement de chaque cellule avec celui de ses voisines ; (3) la sp cialisation cellulaire, ou diff renciation, qui cr e des cellules avec des caract ristiques diff rentes diff rentes positions ; et (4) le mouvement cellulaire, qui r organise les cellules pour former des tissus et des organes structur s (Figure 21 1). C'est sur le quatri me point que le d veloppement des plantes diff re radicalement : les cellules v g tales sont incapables de migrer ou de se d placer ind pendamment travers l'embryon parce que chacune d'entre elles est contenue dans une paroi cellulaire, travers laquelle elle est ciment e ses voisines, comme nous l'avons vu au chapitre 19. Dans un embryon animal en d veloppement, les quatre processus fondamentaux se d roulent de diff rentes mani res, car ils donnent naissance diff rentes parties de l'organisme. Comme les membres d'un orchestre, les cellules de l'embryon doivent jouer leurs parties individuelles de mani re hautement coordonn e. Dans l'embryon, cependant, il n'y a pas de chef d'orchestre pas d'autorit centrale pour diriger la repr sentation. Au lieu de cela, le d veloppement est un processus d'auto-assemblage dans lequel les cellules, mesure qu'elles grandissent et prolif rent, s'organisent en structures de plus en plus complexes. Chacune des millions de cellules doit choisir par elle-m me comment se comporter, en utilisant s lectivement les instructions g n tiques de ses chromosomes. chaque tape de son d veloppement, la cellule se voit pr senter un ensemble limit d'options, de sorte que sa voie de d veloppement se ramifie plusieurs reprises, refl tant un large ventail de choix s quentiels. Comme les d cisions que nous prenons dans notre propre vie, les choix faits par la cellule sont bas s sur son tat interne qui refl te en grande partie son histoire et sur les influences actuelles d'autres cellules, en particulier de ses proches voisines. Pour comprendre le d veloppement, nous devons savoir comment chaque choix est contr l et comment il d pend des choix pr c dents. Au-del de cela, nous devons comprendre comment les choix, une fois faits, influencent la chimie et le comportement de la cellule, et comment les comportements cellulaires agissent en synergie pour d terminer la structure et la fonction du corps. Figure 21 1 Les quatre processus cellulaires essentiels qui permettent un organisme multicellulaire d' tre fabriqu . Au fur et mesure que les cellules se sp cialisent, elles modifient non seulement leur chimie, mais aussi leur forme et leurs attaches d'autres cellules et la matrice extracellulaire. Ils se d placent et se r organisent pour cr er l'architecture complexe du corps, avec tous ses tissus et organes, chacun structur avec pr cision et d fini en taille. Pour comprendre ce processus de g n ration de formes, ou morphogen se, nous devrons prendre en compte les interactions m caniques, ainsi que biochimiques, entre les cellules. premi re vue, on ne s'attendrait pas plus ce que le ver, la puce, l'aigle et le calmar g ant soient tous g n r s par les m mes m canismes de d veloppement qu'on ne supposerait que les m mes m thodes ont t utilis es pour fabriquer une chaussure et un avion. Remarquablement, cependant, les recherches des 30 derni res ann es ont r v l qu'une grande partie de la machinerie de base du d veloppement est essentiellement la m me chez tous les animaux, pas seulement chez tous les vert br s, mais aussi dans tous les principaux embranchements d'invert br s. Reconnaissables, similaires, des mol cules apparent es au cours de l' volution d finissent les types de cellules animales sp cialis es, marquent les diff rences entre les r gions du corps et aident cr er le mod le du corps animal. Les prot ines homologues sont souvent fonctionnellement interchangeables entre des esp ces tr s diff rentes. Ainsi, une prot ine humaine produite artificiellement chez une mouche, par exemple, peut remplir la m me fonction que la propre version de cette prot ine de la mouche (Figure 21-2). Gr ce une unit sous-jacente de m canismes, les biologistes du d veloppement ont fait de grands progr s vers une compr hension coh rente du d veloppement animal. Nous commen ons ce chapitre par un aper u de certains des m canismes de base qui op rent dans le d veloppement animal. Nous discutons ensuite, dans l'ordre, de la fa on dont les cellules de l'embryon se diversifient pour former des motifs dans l'espace, comment le calendrier des v nements de d veloppement est contr l , comment les mouvements cellulaires contribuent la morphogen se et comment la taille d'un animal est r gul e. Nous terminons en examinant l'aspect le plus difficile du d veloppement : les m canismes qui permettent la
Biologie moléculaire de la cellule	formation d'un syst me nerveux tr s complexe. mauvaise expression de Eyeless/Pax6 dans la mauvaise expression de pr curseurs d'ailes de type sauvage Eyeless/Pax6 dans les pr curseurs de pattes Figure 21 2 Les prot ines homologues peuvent fonctionner de mani re interchangeable. (a c) la prot ine sans il ( galement appel e pax6) contr le le d veloppement oculaire chez la drosophile et, lorsqu'elle est mal exprim e au cours du d veloppement, peut provoquer la formation d'un il dans un site anormal, tel qu'une aile (B) ou une patte (c). les micrographies lectroniques balayage montrent une tache de tissu oculaire sur la patte d'une mouche r sultant d'une mauvaise expression de la drosophile Eyeless (e) et du calmar Pax6 (F). La prot ine homologue d'un humain ou de pratiquement n'importe quel animal poss dant des yeux, lorsqu'elle est exprim e de la m me mani re chez une mouche transg nique, a le m me effet. l' il entier d'une drosophile normale est montr des fins de comparaison en (a) et (D). (B c, avec l'aimable autorisation de Georg Halder ; D F, de S. I. tomarev, et al. Proc. Natl Acad. Sci. USA 94:2421 2426, 1997. Avec l'autorisation de l'Acad mie nationale des sciences.) Les animaux vivent en mangeant d'autres organismes. Ainsi, malgr leur remarquable diversit , des animaux aussi diff rents que les vers, les mollusques, les insectes et les vert br s partagent des caract ristiques anatomiques fondamentales ce mode de vie. Les cellules pidermiques forment une couche externe protectrice ; les cellules intestinales absorbent les nutriments des aliments ing r s ; les cellules musculaires permettent le mouvement ; et les neurones et les cellules sensorielles contr lent le comportement. Ces divers types de cellules sont organis s en tissus et en organes, formant une feuille de peau recouvrant l'ext rieur, une bouche pour se nourrir et un tube intestinal interne pour dig rer les aliments - avec des muscles, des nerfs et d'autres tissus dispos s dans l'espace entre la peau et le tube intestinal. De nombreux animaux ont des axes clairement d finis : un axe ant ropost rieur, avec la bouche et le cerveau ant rieurs et anus post rieurs ; un axe dorso-ventral, avec le dos dorsal et le ventre ventral ; et un axe gauche-droite. Dans cette section, nous abordons certains m canismes fondamentaux qui sous-tendent le d veloppement animal, en commen ant par la fa on dont le plan corporel de base de l'animal est tabli. conserv Les m canismes tablissent le plan de base du corps de l'animal Les caract ristiques anatomiques communes des animaux se d veloppent gr ce des m canismes conserv s. Apr s la f condation, le zygote se divise g n ralement rapidement, ou se clivait, pour former de nombreuses cellules plus petites ; Au cours de ce clivage, l'embryon, qui ne peut pas encore se nourrir, ne se d veloppe pas. Cette phase de d veloppement est initialement entra n e et contr l e enti rement par le mat riel d pos dans l' uf par la m re. Le g nome embryonnaire reste inactif jusqu' ce qu'un point soit atteint o les ARNm et les prot ines maternelles commencent assez brusquement se d grader. Le g nome de l'embryon est activ et les cellules sont coh rentes pour former une blastula, g n ralement une boule solide ou creuse remplie de liquide. Cellules. Des r arrangements cellulaires complexes appel s gastrulation (du grec gaster , qui signifie ventre ) transforment ensuite la blastula en une structure multicouche contenant un intestin interne rudimentaire (Figure 21-3). Certaines cellules de la blastula restent externes, constituant l'ectoderme, qui donnera naissance l' piderme et au syst me nerveux ; D'autres cellules s'invaginent, formant l'endoderme, qui donnera naissance au tube intestinal et ses appendices, tels que le poumon, le pancr as et le foie. Un autre groupe de cellules se d place dans l'espace entre l'ectoderme et l'endoderme et forme le m soderme, qui donnera naissance aux muscles, aux tissus conjonctifs, au sang, aux reins et divers autres composants. D'autres mouvements cellulaires et les diff renciations cellulaires qui les accompagnent cr ent et affinent l'architecture de l'embryon. Figure 21 3 Les premiers stades du d veloppement, illustr s par une grenouille. (a) Un ovule f cond se divise pour produire une blastula, une feuille de cellules pith liales entourant souvent une cavit . Pendant la gastrulation, certaines cellules se replient l'int rieur pour former le m soderme (vert) et l'endoderme (jaune). Les cellules ectodermiques (bleues) restent l'ext rieur. (B) une coupe transversale travers le tronc d'un embryon d'amphibien montre le plan corporel de base de l'animal, avec une feuille d'ectoderme l'ext rieur, un tube d'endoderme l'int rieur et un m soderme pris en sandwich entre eux. L'endoderme forme la muqueuse pith liale de l'intestin, de la bouche l'anus. Il donne naissance non seulement au pharynx, l' sophage, l'estomac et aux intestins, mais galement
Biologie moléculaire de la cellule	de nombreuses structures associ es. Les glandes salivaires, le foie, le pancr as, la trach e et les poumons, par exemple, se d veloppent tous partir de la paroi du tube digestif et se d veloppent pour devenir des syst mes de tubes ramifi s qui s'ouvrent dans l'intestin ou le pharynx. L'endoderme ne forme que les composants pith liaux de ces structures, c'est- -dire la muqueuse de l'intestin et les cellules s cr toires du pancr as, par exemple. Les l ments musculaires et fibreux de soutien proviennent du m soderme. Le m soderme donne naissance aux tissus conjonctifs, d'abord au maillage l che de cellules de l'embryon connu sous le nom de m senchyme, et finalement au cartilage, aux os et aux tissus fibreux, y compris le derme (la couche interne de la peau). Le m soderme forme galement les muscles, l'ensemble du syst me vasculaire, y compris le c ur, les vaisseaux sanguins et les cellules sanguines, ainsi que les tubules, les canaux et les tissus de soutien des reins et des gonades. La notocorde se forme partir du m soderme et sert de noyau la future colonne vert brale et de source de signaux qui coordonnent le d veloppement des tissus environnants. L'ectoderme formera l' piderme (la couche pith liale externe de la peau) et les appendices pidermiques tels que les cheveux, les glandes sudoripares et les glandes mammaires. Il donnera galement naissance l'ensemble du syst me nerveux, central et p riph rique, y compris non seulement les neurones et la glie, mais aussi les cellules sensorielles du nez, de l'oreille, de l' il et d'autres organes sensoriels. (B, d'apr s T. Mohun et al., Cellule 22:9-15, 1980. Avec l'autorisation d'elsevier.) L'ectoderme, le m soderme et l'endoderme form s lors de la gastrulation constituent les trois couches germinales de l'embryon pr coce. De nombreuses transformations d veloppementales ult rieures produiront des organes structur s de mani re labor e. Mais le plan corporel de base et les axes mis en place en miniature pendant la gastrulation sont pr serv s l' ge adulte, lorsque l'organisme peut tre des milliards de fois plus grand (film 21.2). le potentiel de d veloppement des cellules devient progressivement restreint Parall lement l'affinement du plan corporel, les cellules individuelles deviennent de plus en plus limit es dans leur potentiel de d veloppement. Au cours des stades de blastula, les cellules sont souvent totipotentes ou pluripotentes elles ont le potentiel de donner naissance tous ou presque tous les types de cellules du corps adulte. La pluripotence est perdue au fur et mesure que la gastrulation se poursuit : une cellule situ e dans la couche germinale endodermique, par exemple, peut donner naissance aux types de cellules qui tapisseront l'intestin ou formeront des organes d riv s de l'intestin tels que le foie ou le pancr as, mais elle n'a plus le potentiel de former des structures d riv es du m soderme telles que le squelette, le c ur ou le rein. On dit qu'une telle cellule est d termin e pour un destin endodermique. Ainsi, la d termination cellulaire commence t t et r duit progressivement les options au fur et mesure que la cellule passe par une s rie programm e d' tats interm diaires, guid e chaque tape par son g nome, son histoire et ses interactions avec ses voisins. Le processus atteint sa limite lorsqu'une cellule subit une diff renciation terminale pour former l'un des types de cellules hautement sp cialis s du corps adulte (Figure 21 4). Bien qu'il existe chez l'adulte des types de cellules qui conservent un certain degr de pluripotence, leur ventail d'options est g n ralement troit (discut au chapitre 22). La m moire cellulaire sous-tend la richesse et la complexit tonnante des r sultats du d veloppement (voir p. 404). Les g nes qu'une cellule exprime et la fa on dont elle se comporte d pendent du pass de la cellule, ainsi que de ses circonstances actuelles. Les cellules de notre corps les cellules musculaires, les neurones, les cellules de la peau, les cellules intestinales, etc. conservent leurs caract res sp cialis s en grande partie parce qu'elles conservent un enregistrement des signaux extracellulaires que leurs anc tres ont re us au cours du d veloppement, plut t que parce qu'elles re oivent continuellement de telles instructions de leur environnement. Malgr leurs ph notypes radicalement diff rents, ils conservent le m me g nome complet que celui pr sent dans le zygote ; Leurs diff rences proviennent plut t de l'expression diff rentielle des g nes. Nous avons discut des m canismes mol culaires de la r gulation des g nes, de la m moire cellulaire, de la division cellulaire, de la signalisation cellulaire et du mouvement cellulaire dans les chapitres pr c dents. Dans ce chapitre, nous verrons comment ces processus de base sont d ploy s collectivement pour cr er un animal. Les caract ristiques anatomiques que les animaux partagent ont subi de nombreuses modifications extr mes au cours de l' volut
Biologie moléculaire de la cellule	ion. En cons quence, les diff rences entre les esp ces sont g n ralement plus frappantes notre il humain que les similitudes. Mais au niveau des m canismes mol culaires sous-jacents et des macromol cules qui les m dient, c'est l'inverse qui est vrai : les similitudes entre tous les animaux sont profondes et tendues. Au cours de plus d'un demi-milliard d'ann es de divergence volutive, tous les animaux ont conserv des ensembles ind niablement similaires de g nes et de prot ines qui sont responsables de la g n ration de leurs plans corporels et de la formation de leurs cellules et organes sp cialis s. Ce degr tonnant de conservation volutive n'a pas t d couvert par de vastes tudes de la diversit animale, mais par l' tude intensive d'un petit nombre d'esp ces repr sentatives les organismes mod les discut s au chapitre 1. Pour la biologie du d veloppement animal, les plus importants ont t la mouche Drosophila melanogaster, la grenouille Xenopus laevis, l'ascaris Caenorhabditis elegans, la souris Mus musculus et le poisson-z bre Danio rerio. En discutant des m canismes du d veloppement, nous tirerons nos exemples principalement de ces quelques esp ces. Figure 21 4 La lign e du blastom re au type cellulaire diff renci . Au fur et mesure que le d veloppement progresse, les cellules deviennent de plus en plus sp cialis es. Les blastom res ont le potentiel de donner naissance la plupart ou tous les types de cellules. Sous l'influence de mol cules de signalisation et de facteurs de r gulation des g nes, les cellules acqui rent des destins plus restreints jusqu' ce qu'elles se diff rencient en types de cellules hautement sp cialis es, telles que les cellules pancr atiques - lots pancr atiques qui s cr tent l'hormone insuline. Les g nes impliqu s dans la communication intercellulaire et le contr le transcriptionnel sont particuli rement importants pour le d veloppement animal Quels sont les g nes que les animaux partagent entre eux, mais pas avec d'autres r gnes de la vie ? On s'attendrait ce qu'ils comprennent des g nes n cessaires sp cifiquement au d veloppement animal, mais qui ne sont pas n cessaires l'existence unicellulaire. La comparaison des g nomes animaux avec le g nome de la levure bourgeonnante un eucaryote unicellulaire sugg re que trois classes de g nes sont particuli rement importantes pour l'organisation multicellulaire. La premi re classe comprend les g nes qui codent pour les prot ines utilis es pour l'adh sion cellule-cellule et la signalisation cellulaire ; Des centaines de g nes humains codent pour des prot ines de signal, des r cepteurs de surface cellulaire, des prot ines d'adh sion cellulaire ou des canaux ioniques qui ne sont pas pr sents dans la levure ou en nombre beaucoup plus petit. La deuxi me classe comprend des g nes codant pour des prot ines qui r gulent la transcription et la structure de la chromatine : plus de 1000 g nes humains codent pour des r gulateurs de transcription, mais seulement environ 250 g nes de levure le font. Comme nous le verrons, le d veloppement des animaux est domin par les interactions cellule-cellule et par l'expression diff rentielle des g nes. La troisi me classe d'ARN non codants a un statut plus incertain : elle comprend des g nes qui codent pour des microR-NA (miARN) ; Il y en a au moins 500 chez l'homme. Avec les prot ines r gulatrices, ils jouent un r le important dans le contr le au cours du d veloppement animal, mais l'ampleur de leur importance n'est pas encore claire. La perte de g nes individuels de miARN chez C. elegans, o leurs fonctions ont t bien tudi es, conduit rarement des ph notypes vidents, ce qui sugg re que les r les des miARN au cours du d veloppement animal sont souvent subtils, servant affiner la machinerie de d veloppement plut t qu' former ses structures de base. L'ADN r glementaire semble largement responsable des diff rences entre les esp ces animales Comme nous l'avons vu au chapitre 7, chaque g ne d'un organisme multicellulaire est associ plusieurs milliers de nucl otides d'ADN non codant qui contiennent des l ments r gulateurs. Ces l ments r gulateurs d terminent quand, o et quel point le g ne doit tre exprim , en fonction des r gulateurs de transcription et des structures chromatiniennes pr sentes dans la cellule particuli re (Figure 21 5). Par cons quent, une modification de l'ADN r gulateur, m me sans aucune modification de l'ADN codant, peut modifier la logique du r seau de r gulation des g nes et changer le r sultat du d veloppement. Comme nous l'avons vu au chapitre 4, lorsque nous comparons les g nomes de diff rentes esp ces animales, nous constatons que l' volution a modifi l'ADN codant et r gulateur des degr s divers. L'ADN codant, pour la plupart, a t hautement conserv , l'ADN r gulateur non codant beaucoup moins. Il semble que les changements dans l'ADN r gulateur soient en grande partie responsables des diff rences dramatiques entre une classe d'animaux
Biologie moléculaire de la cellule	et une autre (voir p. 227). Nous pouvons voir les produits prot iques des s quences codantes comme un kit conserv de parties mol culaires communes, et l'ADN r gulateur comme des instructions d'assemblage : avec des instructions diff rentes, le m me kit de pi ces peut tre utilis pour fabriquer toute une vari t de structures corporelles diff rentes. Nous reviendrons plus loin sur ce concept important. Figure 21 5 L'ADN r gulateur d finit les mod les d'expression g nique dans le d veloppement. Le g nome est le m me dans une cellule musculaire que dans une cellule cutan e, mais diff rents g nes sont actifs car ces cellules expriment diff rents r gulateurs de transcription qui se lient aux l ments r gulateurs des g nes. Par exemple, les r gulateurs de transcription dans les cellules de la peau reconnaissent un l ment r gulateur dans le g ne 1, conduisant son activation, tandis qu'un ensemble diff rent de r gulateurs est pr sent dans les cellules musculaires, se liant au g ne 3 et l'activant. Les r gulateurs transcriptionnels qui activent l'expression du g ne 2 sont pr sents dans les deux types de cellules. De petits nombres de voies de signalisation cellule-cellule conserv es coordonnent la structuration spatiale La structuration spatiale d'un animal en d veloppement exige que les cellules deviennent diff rentes en fonction de leur position dans l'embryon, ce qui signifie que les cellules doivent r pondre des signaux extracellulaires produits par d'autres cellules, en particulier leurs voisines. Dans ce qui est probablement le mode le plus courant de structuration spatiale, un groupe de cellules commence avec le m me potentiel de d veloppement, et un signal provenant de cellules ext rieures au groupe incite ensuite un ou plusieurs membres du groupe changer de caract re. Ce processus est appel signalisation inductive. En g n ral, le signal inductif est limit dans le temps et dans l'espace, de sorte que seul un sous-ensemble des cellules capables de r pondre les cellules proches de la source du signal prend le caract re induit (Figure 21 6). Certains signaux inductifs d pendent du contact entre cellules ; d'autres agissent sur une plus longue port e et sont m di es par des mol cules qui diffusent dans le milieu extracellulaire ou sont transport es dans la circulation sanguine (voir la figure 15 2). La plupart des v nements inductifs connus dans le d veloppement animal sont r gis par un petit nombre de voies de signalisation hautement conserv es, y compris les voies du facteur de croissance transformant (TGF ), Wnt, Hedgehog, Notch et du r cepteur tyrosine kinase (RTK) (discut es au chapitre 15). La d couverte du vocabulaire limit que les cellules en d veloppement utilisent pour la communication intercellulaire est apparue au cours des 25 derni res ann es comme l'une des grandes caract ristiques simplificatrices de la biologie du d veloppement. gr ce au contr le combinatoire et la m moire cellulaire, des signaux simples peuvent g n rer des motifs complexesMais comment ce petit nombre de voies de signalisation peut-il g n rer l' norme diversit de cellules et de motifs ? Trois types de m canismes sont responsables. Tout d'abord, gr ce la duplication de g nes, les composants de base d'une voie sont souvent cod s par de petites familles de g nes homologues troitement apparent s. Cela permet une diversit dans le fonctionnement du parcours, en fonction du membre de la famille employ dans une situation donn e. La signalisation Notch, par exemple, peut tre m di e par Notch1 dans un tissu, mais par son homologue Notch4 dans un autre. Deuxi mement, la r ponse d'une cellule une prot ine signal donn e d pend des autres signaux que la cellule re oit simultan ment (Figure 21 7A). Par cons quent, diff rentes combinaisons de signaux peuvent g n rer une grande vari t de r ponses diff rentes. Troisi mement, et c'est le plus fondamental, l'effet de l'activation d'une voie de signalisation d pend des exp riences ant rieures de la cellule r pondante : les influences pass es laissent une marque durable, enregistr e dans l' tat de la chromatine de la cellule et la s lection des prot ines r gulatrices de la transcription et des mol cules d'ARN que la cellule contient. Cette m moire cellulaire permet aux cellules avec diff rentes cellules de s'orienter vers une nouvelle voie de d veloppement Figure 21 6 Signalisation inductive. Figure 21 7 Deux m canismes permettant de g n rer des r ponses diff rentes au m me signal inductif. a) Dans la signalisation combinatoire, l'effet d'un signal d pend de la pr sence d'autres signaux re us en m me temps. (B) gr ce la m moire cellulaire, les signaux pr c dents (ou d'autres v nements) peuvent laisser une trace durable qui modifie la r ponse au signal actuel (voir Figure 7 54). La trace mn sique est repr sent e ici dans la coloration du noyau cellulaire. Le gradient morphog ne des formes source de la r ponse cellulaire du morphog ne au gradient de 0,1 mm pou
Biologie moléculaire de la cellule	r r pondre diff remment aux m mes signaux (Figure 21 7B). Ainsi, les m mes quelques voies de signalisation peuvent tre utilis es de mani re r p t e diff rents moments et lieux avec des r sultats diff rents, afin de g n rer des mod les d'une complexit illimit e. Les morphog nes sont des signaux inductifs longue port e qui exercent des effets gradu s Les mol cules de signal r gissent souvent des choix simples oui-non un r sultat lorsque leur concentration est lev e, un autre lorsqu'elle est faible. Dans de nombreux cas, cependant, les r ponses sont plus finement gradu es : une concentration lev e d'une mol cule signal peut, par exemple, diriger les cellules dans une voie de d veloppement, une concentration interm diaire dans une autre et une faible concentration dans une autre encore. Une fa on courante de g n rer des concentrations aussi diff rentes d'une mol cule de signal consiste ce que la mol cule diffuse partir d'une source de signalisation localis e, cr ant ainsi un gradient de concentration. Les cellules situ es diff rentes distances de la source sont amen es se comporter de diff rentes mani res, en fonction de la concentration du signal qu'elles subissent (Figure 21 8). Une mol cule signal qui impose un motif tout un champ de cellules de cette mani re s'appelle un morphog ne. Dans le cas le plus simple, un groupe sp cialis de cellules produit un morphog ne un rythme r gulier, et le morphog ne est ensuite d grad lorsqu'il se diffuse loin de cette source. La vitesse de diffusion et la demi-vie du morphog ne d termineront ensemble la port e et la pente de son gradient r sultant (Figure 21 9). Ce m canisme simple peut tre modifi de diff rentes mani res. Les r cepteurs la surface des cellules le long du chemin, par exemple, peuvent pi ger le morphog ne diffuseur et provoquer son endocytose et sa d gradation, raccourcissant ainsi sa demi-vie effective. Alternativement, le morphog ne peut se lier des mol cules de la matrice extracellulaire telles que le prot oglycane de sulfate d'h parane (discut au chapitre 19), r duisant ainsi consid rablement son taux de diffusion. L'inhibition lat rale peut g n rer des motifs de diff rents types de cellules Les gradients morphog nes, et d'autres types de signaux inductifs, exploitent une asym trie existante dans l'embryon pour cr er d'autres asym tries et diff rences entre les cellules : d j , au d part, certaines cellules sont sp cialis es pour produire le morphog ne et imposer ainsi un mod le une autre classe de cellules qui y sont sensibles. Mais 0 0,1 0,2 0 0,1 0,2 0 0,1 0,2 distance de la source (mm) Figure 21 8 Formation et interpr tation des gradients. Un gradient se forme par la production localis e d'un inducteur un morphog ne qui se diffuse loin de sa source. Diff rentes concentrations de morphog ne (ou diff rentes dur es d'exposition) induisent des mod les d'expression g nique et des destins cellulaires diff rents dans les cellules r pondantes. Le transport diffusif ne peut g n rer des gradients que sur de courtes distances, et les morphog nes agissent g n ralement sur des distances de 1 mm ou moins. Figure 21 9 Mise en place d'un gradient de signal par diffusion. (a c) Chaque graphique montre six tapes successives dans l'accumulation de la concentration d'une mol cule signal qui est produite un rythme constant l'origine, la production commen ant au temps 0. Dans tous les cas, la mol cule subit une d gradation lorsqu'elle diffuse en s' loignant de la source, et les graphiques sont calcul s en supposant que la diffusion se produit le long de deux axes dans l'espace (par exemple, radialement partir d'une source dans une feuille pith liale). (a) le motif du morphog ne en supposant que la mol cule a une demi-vie de 170 minutes, et qu'elle diffuse avec une constante de diffusion effective de D = 1 m2 sec 1, typique d'une petite mol cule de prot ine dans les tissus extracellulaires. Notez que le gradient est d j proche de sa forme stationnaire en moins d'une heure et que la concentration l' tat stationnaire diminue de fa on exponentielle avec la distance. (B) une multiplication par trois de la constante de diffusion du morphog ne tend sa gamme mais diminue sa concentration c t de la source, tandis que (c) une multiplication par trois de la demi-vie du morphog ne augmente sa concentration dans tout le tissu. Les effets du morphog ne d pendront non seulement de sa concentration un moment critique, mais aussi de la fa on dont chaque cellule cible int gre sa r ponse au fil du temps. (Avec l'aimable autorisation de Patrick M ller.) Figure 21 10 Gen se de l'asym trie par inhibition lat rale et r troaction positive. Dans cet exemple, deux cellules interagissent, chacune produisant une substance X qui agit sur l'autre cellule pour inhiber sa production de X, un effet connu sous le nom d'inhibition lat rale. une augmentation de X dans l'une des cellules conduit une r troaction positive qui tend augmenter en
Biologie moléculaire de la cellule	core X dans cette cellule, tout en diminuant X dans sa voisine. Cela peut cr er une instabilit incontr lable, faisant que les deux cellules deviennent radicalement diff rentes. En fin de compte, le syst me s'immobilise dans l'un ou l'autre des deux tats stables oppos s. Le choix final de l' tat repr sente une forme de m moire : la petite influence qui a initialement dirig le choix n'est plus n cessaire pour le maintenir. Que se passe-t-il s'il n'y a pas d'asym trie initiale claire ? Un sch ma r gulier peut-il appara tre spontan ment au sein d'un ensemble de cellules qui sont initialement toutes semblables ? La r ponse est oui. Le principe fondamental sous-jacent la formation d'un tel mod le de novo est la r troaction positive : les cellules peuvent changer des signaux de telle sorte que tout petit cart initial entre les cellules de diff rents sites s'auto-amplifie, conduisant les cellules vers des destins diff rents. Ceci est le plus clairement illustr dans le ph nom ne de l'inhibition lat rale, une forme d'interaction cellule-cellule qui force les voisins proches devenir diff rents et g n re ainsi des motifs fins de diff rents types de cellules. Consid rons une paire de cellules adjacentes qui commencent dans un tat similaire. Chacune de ces cellules peut la fois produire et r pondre une certaine mol cule de signal X, avec la r gle suppl mentaire que plus le signal qu'une cellule re oit est fort, plus le signal qu'elle g n re est faible (Figure 21 10). Si une cellule produit plus de X, l'autre est forc e d'en produire moins. Cela donne lieu une boucle de r troaction positive qui tend amplifier toute diff rence initiale entre les deux cellules adjacentes. Une telle diff rence peut provenir d'un biais impos par un facteur externe pr sent ou pass , ou elle peut simplement provenir de fluctuations al atoires spontan es, ou bruit une caract ristique in vitable des circuits de contr le g n tique dans les cellules (discut e au chapitre 7). Dans les deux cas, l'inhibition lat rale signifie que si la cellule 1 produit un peu plus de X, elle am nera la cellule 2 en produire moins ; et parce que la cellule 2 produit moins de X, elle d livre moins d'inhibition la cellule 1 et permet ainsi la production de X dans la cellule 1 d'augmenter encore plus haut ; et ainsi de suite, jusqu' ce qu'un tat stable soit atteint o la cellule 1 produit beaucoup de X et la cellule 2 en produit tr s peu. Dans le cas standard, la mol cule signal X agit dans la cellule r ceptrice en r gulant la transcription des g nes, et le r sultat est que les deux cellules sont entra n es le long de diff rentes voies de diff renciation. Dans presque tous les tissus, un m lange quilibr de diff rents types de cellules est n cessaire. L'inhibition lat rale fournit un mani re courante de g n rer le m lange. Comme nous le verrons, l'inhibition lat rale est tr s souvent m di e par l' change de signaux au contact des cellules via la voie de signalisation Notch, conduisant la diversification cellulaire en permettant aux cellules individuelles qui expriment un ensemble de g nes de diriger leurs voisins imm diats pour exprimer un ensemble diff rent, exactement de la mani re que nous avons d crite (voir aussi Figure 15-58). L'inhibition lat rale m di e par la voie Notch n'est pas le seul exemple de g n ration de motifs par r troaction positive : il existe d'autres fa ons dont, par le m me principe de base, un syst me qui commence de mani re homog ne et sym trique peut se modeler spontan ment, m me en l'absence d'un morphog ne externe. Les processus de r troaction positive m di s par des mol cules de signal diffusibles peuvent fonctionner sur de larges r seaux de cellules pour cr er de nombreux types de mod les spatiaux. Les m canismes de ce type sont appel s syst mes de r action-diffusion. Par exemple, une substance A (un activateur courte port e) peut stimuler sa propre production dans les cellules qui la contiennent et dans leurs voisines imm diates, tout en amenant ces cellules produire un signal I (un inhibiteur longue port e) qui se diffuse largement et inhibe la production de A dans les cellules plus loign es. Si les cellules commencent toutes de la m me mani re, mais qu'un groupe gagne un l ger avantage en faisant un peu plus de A que les autres, l'asym trie peut s'auto-amplifier R TROACTION POSITIVE : l'asym trie s'amplifie d'elle-m me Figure 21 11 G n ration de motifs par un syst me de r action-diffusion. partir de (a) un champ uniforme de cellules, (B) une r troaction positive locale et (c) une inhibition longue port e peuvent (D) g n rer des motifs dans le champ initialement uniforme. Les motifs peuvent tre complexes, ressemblant aux taches d'un l opard (comme indiqu ) ou aux rayures d'un z bre ; Ou elles peuvent tre simples, avec la cr ation d'un seul groupe de cellules sp cialis es qui peuvent, par exemple, servir de source un gradient morphog ne. (Figure 21 11). Une telle activation co
Biologie moléculaire de la cellule	urte port e combin e une inhibition longue port e peut expliquer la formation de grappes de cellules au sein d'un tissu initialement homog ne qui se sp cialisent en tant que centres de signalisation localis s. La diversification cellulaire ne d pend pas toujours de signaux extracellulaires : dans certains cas, les cellules filles naissent diff rentes la suite d'une division cellulaire asym trique, dans laquelle une ou plusieurs mol cules importantes sont distribu es de mani re in gale entre les deux filles. Cette h r dit asym trique garantit que les deux cellules filles se d veloppent diff remment (Figure 21 12). La division asym trique est une caract ristique courante du d veloppement pr coce, o l' uf f cond a d j un motif interne et le clivage de cette grande cellule s pare diff rents d terminants en blastom res s par s. Nous verrons que la division asym trique joue galement un r le dans certains processus de d veloppement ult rieurs. Les mod les initiaux sont tablis dans de petits champs de cellules et affin s par induction s quentielle au fur et mesure que l'embryon grandit Les signaux qui organisent le mod le spatial des cellules d'un embryon agissent g n ralement sur de courtes distances et r gissent des choix relativement simples. Un morphog ne, par exemple, agit g n ralement sur une distance de moins de 1 mm une plage efficace pour la diffusion et oriente les choix entre plusieurs options de d veloppement pour les cellules sur lesquelles il agit. Pourtant, les organes qui finissent par se d velopper sont beaucoup plus grands et plus complexes que cela. La prolif ration cellulaire qui suit la sp cification initiale explique l'augmentation de la taille, tandis que le raffinement du motif initial s'explique par une s rie d'inductions locales et d'autres interactions qui ajoutent des niveaux de d tail successifs sur un croquis initialement simple. Par exemple, d s que deux types de cellules sont pr sents dans un tissu en d veloppement, l'une d'entre elles peut produire un signal qui induit un sous-ensemble des cellules voisines se sp cialiser d'une troisi me mani re. Le troisi me type de cellule peut son tour signaler 1. Division asym trique : les cellules s urs naissent diff rents feld uniforme de cellules inhibiteur longue port e (rouge) bloque la production d'activateur par d'autres cellules dans le voisinage groupes sp cialis s de cellules 2. division sym trique : les cellules s urs deviennent diff rentes en tant que r sultat deFigure 21 12 Deux fa ons de diff rencier les cellules s urs. D et E sont induits par le signal C est induit sur A et B, B agissant sur A vers les deux autres types de cellules proximit , g n rant un quatri me et un cinqui me type de cellule, et ainsi de suite (Figure 21 13). Cette strat gie pour g n rer un motif de plus en plus compliqu est appel e induction s quentielle. C'est principalement par des inductions s quentielles que le plan corporel d'un animal en d veloppement, apr s avoir t d'abord bauch en miniature, devient labor avec des d tails de plus en plus fins au fur et mesure que le d veloppement progresse. Les progr s rapides dans la compr hension du d veloppement animal ont t l'une des grandes r ussites de la biologie au cours des derni res d cennies, et ils ont d'importantes implications pratiques. Environ 2 5 % de tous les b b s humains naissent avec des anomalies anatomiques, telles que des malformations cardiaques, des membres tronqu s, une fente palatine ou un spina bifida. Les progr s de la biologie du d veloppement nous aident comprendre comment ces d fauts se produisent, m me si nous ne pouvons pas encore pr venir ou gu rir la plupart d'entre eux. Ce qui est moins vident, mais encore plus important d'un point de vue pratique, c'est que la biologie du d veloppement donne un aper u du fonctionnement des cellules et des tissus du corps adulte. Les processus de d veloppement ne s'arr tent pas la naissance ; Ils se poursuivent tout au long de la vie, mesure que les tissus sont entretenus et r par s. Les m canismes fondamentaux de la croissance et de la division cellulaires, de la signalisation intercellulaire, de la m moire cellulaire, de l'adh sion cellulaire et du mouvement cellulaire sont impliqu s dans l'entretien et la r paration des tissus adultes, tout comme ils le sont dans le d veloppement de l'embryon. Les embryons sont plus simples que les adultes, et ils nous permettent d'analyser plus facilement ces processus de base. L' tude de l'embryon pr coce de drosophile, par exemple, a t cruciale pour la d couverte de plusieurs voies de signalisation conserv es, notamment les voies Wnt, Hedgehog et Notch. Ils ont galement fourni la cl pour comprendre le r le central de ces voies dans le maintien de tissus humains adultes normaux et dans des maladies telles que le cancer. Dans le chapitre 22, nous examinerons comment d'autres m canismes de d veloppement fonctionnent dans le corps adulte normal, en par
Biologie moléculaire de la cellule	ticulier dans les tissus qui sont continuellement renouvel s au moyen de cellules souches, notamment l'intestin, la peau et le syst me h matopo tique. Mais maintenant, nous devons examiner de plus pr s la fa on dont un embryon pr coce g n re son mod le spatial de cellules sp cialis es, en commen ant par les transformations qui cr ent le plan corporel adulte. Le d veloppement animal est un processus d'auto-assemblage, dans lequel les cellules de l'embryon deviennent diff rentes les unes des autres et s'organisent en structures de plus en plus complexes. Le processus commence avec une seule grande cellule, l'ovule f cond . Cette cellule se clive pour former de nombreuses cellules plus petites, produisant une blastula. La blastula subit une gastrulation pour g n rer les trois couches germinales de l'embryon ectoderme, m soderme et endoderme compos es de cellules d termin es pour diff rents destins. Au fur et mesure que le d veloppement se poursuit, les cellules deviennent de plus en plus troitement sp cialis es en fonction de leur emplacement et de leurs interactions les unes avec les autres. Gr ce la m moire cellulaire, ces interactions entre cellules, m me si elles sont transitoires, peuvent avoir des effets durables sur chacune des Figure 21 13 Structuration par induction s quentielle. Une s rie d'interactions inductives peut g n rer de nombreux types de cellules, partir de quelques-unes seulement. l' tat interne de la cellule. Ainsi, une succession de signaux simples qu'une cellule re oit diff rents moments peut la diriger le long d'un chemin de d veloppement complexe. chaque tape, la cellule devient encore plus restreinte dans la gamme des tats finaux qui s'offrent elle. Le processus atteint sa limite lorsque la cellule se diff rencie pour former l'un des types de cellules sp cialis s du corps adulte. Les diff rences entre les cellules en d veloppement se manifestent de diff rentes mani res et doivent tre correctement coordonn es dans l'espace. Dans une strat gie courante, des cellules initialement similaires au sein d'un groupe deviennent diff rentes par l'exposition diff rents niveaux d'un signal inductif ou d'un morphog ne manant d'une source ext rieure au groupe. Les cellules voisines peuvent galement devenir diff rentes par inhibition lat rale, dans laquelle une cellule signale ses voisines de ne pas suivre le m me sort. Ces interactions cellule-cellule sont m di es par un petit nombre de voies de signalisation hautement conserv es, qui sont utilis es plusieurs reprises dans diff rents organismes et diff rents moments du d veloppement. Cependant, toute la diversification cellulaire n'est pas due des interactions cellule-cellule : les cellules filles peuvent na tre diff rentes la suite d'une division cellulaire asym trique. Les r gulateurs de la transcription et de la structure de la chromatine se lient l'ADN r gulateur et d terminent le destin de chaque cellule. Les diff rences de plan corporel semblent provenir dans une large mesure de diff rences dans l'ADN r gulateur associ chaque g ne. Cet ADN joue un r le central dans la d finition du programme s quentiel de d veloppement, appelant les g nes l'action des moments et des lieux sp cifiques en fonction du mod le d'expression g nique pr sent dans chaque cellule au stade de d veloppement pr c dent. Le d veloppement a t tudi de mani re plus approfondie chez une poign e d'organismes mod les. Mais la plupart des g nes et des m canismes ainsi identifi s sont utilis s chez tous les animaux et de mani re r p t e diff rents stades de d veloppement. Ainsi, les connaissances des vers, des mouches, des poissons, des grenouilles et des souris clairent profond ment notre compr hension de l'embryologie, des malformations cong nitales et de l'entretien des tissus adultes chez l'homme. Un organisme multicellulaire en d veloppement doit cr er un mod le dans des champs de cellules o il y en avait peu ou pas auparavant. Certains des premiers microscopistes ont imagin que la forme et la structure enti res du corps humain taient d j pr sentes dans le spermatozo de sous la forme d'un homoncule , un humain miniature ; Apr s la f condation, l'homoncule grandirait simplement et g n rerait un humain de taille normale. Nous savons maintenant que cette vision est incorrecte et que le d veloppement est une progression du simple au complexe, travers un affinement progressif de l'anatomie d'un animal. Pour voir comment toute la s quence d' v nements de la structure spatiale et de la d termination cellulaire est mise en route, nous devons revenir l'ovule et l'embryon pr coce. Diff rents animaux utilisent diff rents m canismes pour tablir leurs principaux axes de polarisation tonnamment, les premi res tapes du d veloppement animal sont parmi les plus variables, m me au sein d'un embranchement. Une grenouille, un poulet et un mammif re, par exemple, m me s'ils se d veloppent de mani re similaire par la suite,
Biologie moléculaire de la cellule	produisent des ufs qui diff rent radicalement en taille et en structure, et ils commencent leur d veloppement avec diff rentes s quences de divisions cellulaires et de sp cialisations cellulaires. La gastrulation se produit chez tous les embryons animaux, mais les d tails de son calendrier, du mod le associ des mouvements cellulaires, ainsi que de la forme et de la taille de l'embryon au fur et mesure que la gastrulation se d roule sont tr s variables. De m me, il y a une grande variation dans le temps et la mani re dont les axes primaires du corps se d marquent. Cependant, cette polarisation de l'embryon devient g n ralement perceptible tr s t t, avant le d but de la gastrulation : c'est la premi re tape de la structuration spatiale. Trois axes sont g n ralement tablir. L'axe animal-v g tal (A-V), chez la plupart des esp ces, d finit les parties qui doivent devenir internes (par les mouvements de gastrulation) et celles qui doivent rester externes. (Le nom bizarre date d'il y a un si cle et n'a rien voir avec les l gumes.) L'axe ant ropost rieur (A-P) sp cifie l'emplacement de la t te et de la queue futures. L'axe dorso-ventral (D-V) sp cifie le futur dos et le ventre. Figure 21 14 L' uf de grenouille et ses asym tries. (a) Vue lat rale d'un uf de x nope photographi juste avant la f condation. (B) la distribution asym trique des mol cules l'int rieur de l'ovule, et comment elle change apr s la f condation de mani re d finir une asym trie dorso-ventrale ainsi qu'une asym trie animale-v g tale. La f condation, par une r organisation du cytosquelette des microtubules, d clenche une rotation du cortex de l' uf (une couche de quelques m de profondeur) d'environ 30 par rapport au noyau de l' uf ; le sens de rotation d termin par le site d'entr e des spermatozo des. Certains composants sont transport s encore plus loin vers la future face dorsale par transport actif le long des microtubules. la concentration dorsale r sultante de l'ARNm Wnt11 conduit la production dorsale de la prot ine signal Wnt11 et d finit la polarit dorso-ventrale du futur embryon. Le Vegt localis dans le milieu v g tal d finit la source v g tale des signaux qui vont induire l'endoderme et le m soderme. (a, avec l'aimable autorisation de Tony Mills.) un extr me, l'ovule est sph riquement sym trique et les axes ne se d finissent qu'au cours de l'embryogen se. La souris est proche d' tre un exemple, avec peu de signe vident de polarit dans l' uf. En cons quence, les blastom res produits par les premi res divisions cellulaires semblent tous se ressembler et sont remarquablement adaptables. Si l'embryon de souris pr coce est divis en deux, une paire de jumeaux identiques peut tre produite deux individus complets et normaux partir d'une seule cellule. De m me, si l'une des cellules d'un embryon de souris deux cellules est d truite en le piquant avec une aiguille et que le demi-embryon r sultant est plac dans l'ut rus d'une m re nourrici re pour se d velopper, dans de nombreux cas, une souris parfaitement normale mergera. l'oppos , la structure de l' uf d finit les futurs axes du corps. C'est le cas de la plupart des esp ces, y compris des insectes comme la drosophile, comme nous le verrons sous peu. De nombreux autres organismes se situent entre les deux extr mes. L' uf de la grenouille X nope, par exemple, a un axe A-V clairement d fini avant m me la f condation : le noyau pr s du haut d finit le p le animal, tandis que la masse de jaune (l'approvisionnement alimentaire de l'embryon, destin e tre incorpor e dans l'intestin) vers le bas d finit le p le v g tal. Plusieurs types de mol cules d'ARNm sont d j localis s dans le cytoplasme v g tal de l' uf, o elles produisent leurs produits prot iques. Apr s la f condation, ces ARNm et prot ines agissent dans et sur les cellules de la partie inf rieure et moyenne de l'embryon, donnant aux cellules des caract res sp cialis s, la fois par des effets directs et en stimulant la production de prot ines de signal s cr t es. Par exemple, l'ARNm codant pour le r gulateur de transcription VegT se d pose au p le v g tal lors de l'ovogen se. Apr s la f condation, cet ARNm est traduit, et la prot ine VegT r sultante active un ensemble de g nes qui codent pour des prot ines de signal qui induisent le m soderme et l'endoderme, comme nous le verrons plus loin. L'axe D-V de l'embryon de x nope, en revanche, est d fini par l'acte de f condation. Apr s l'entr e du spermatozo de, le cortex externe du cytoplasme de l'ovule tourne par rapport au noyau central de l'ovule, de sorte que le p le animal du cortex est l g rement d cal d'un c t (Figure 21-14). Les traitements qui bloquent la rotation permettent au clivage de se produire normalement, mais produisent un embryon avec un intestin central et sans structures dorsales ni asym trie D-V. Ainsi, cette rotation corticale est n cessaire pour d finir l'axe D-V du futur corps en cr ant l'axe D-V de l'ovule. Le site d
Biologie moléculaire de la cellule	'entr e des spermatozo des qui biaise la direction de la rotation corticale chez le x nope, peut- tre par le centrosome que le spermatozo de apporte dans l'ovule dans la mesure o la rotation est associ e une r organisation des microtubules nucl s partir du centrosome dans le cytoplasme de l'ovule. La r organisation conduit un transport bas sur les microtubules de plusieurs composants cytoplasmiques, y compris l'ARNm codant pour Wnt11, un membre de la famille des prot ines signaux Wnt, d pla ant le cytoplasme du p le animal VENTRAL DORSAL vers la future face dorsale (voir Figure 21 14). Cet ARNm est rapidement traduit et la prot ine Wnt11 s cr t e par les cellules qui se forment dans cette r gion de l'embryon active la voie de signalisation Wnt (voir Figure 15-60). Cette activation est cruciale pour d clencher la cascade d' v nements ult rieurs qui vont organiser l'axe dorso-ventral du corps. (L'axe A-P de l'embryon ne deviendra clair que plus tard, lors du processus de gastrulation.) Bien que diff rentes esp ces animales utilisent une vari t de m canismes diff rents pour sp cifier leurs axes, le r sultat a t relativement bien conserv au cours de l' volution : la t te est distingu e de la queue, le dos du ventre et l'intestin de la peau. Il semble que les astuces utilis es par l'embryon pour briser la sym trie initiale et mettre en place ce plan corporel de base n'ont pas beaucoup d'importance. Des tudes chez la drosophile ont r v l les m canismes de contr le g n tique sous-jacents au d veloppement C'est la mouche drosophile, plus que tout autre organisme, qui a fourni la cl de notre compr hension actuelle de la fa on dont les g nes r gissent le d veloppement. Des d cennies d' tudes g n tiques ont abouti une tude grande chelle. D pistage g n tique, en se concentrant particuli rement sur l'embryon pr coce et en recherchant des mutations qui perturbent son mod le. Cela a r v l que les g nes cl s du d veloppement appartiennent un ensemble relativement petit de classes fonctionnelles d finies par leurs ph notypes mutants. La d couverte de ces g nes et l'analyse ult rieure de leurs fonctions ont t un c l bre tour de force et ont eu un impact r volutionnaire sur toute la biologie du d veloppement, ce qui a valu ses d couvreurs un prix Nobel. Certaines parties de la machinerie d veloppementale ainsi r v l e sont conserv es entre les mouches et les vert br s, d'autres non. Mais la logique de l'approche exp rimentale et les strat gies g n rales de contr le g n tique qu'elle a r v l es ont transform notre compr hension du d veloppement multicellulaire en g n ral. Pour comprendre comment fonctionne la machinerie de d veloppement pr coce chez la drosophile, il est important de noter une particularit du d veloppement de la mouche. Comme les ufs d'autres insectes, mais contrairement la plupart des vert br s, l' uf de drosophile en forme de concombre commence son d veloppement par une s rie extraordinairement rapide de divisions nucl aires sans division cellulaire, produisant plusieurs noyaux dans un cytoplasme commun un syncytium. Les noyaux migrent ensuite vers le cortex cellulaire, formant une structure appel e blastoderme syncytial. Apr s la production d'environ 6000 noyaux, la membrane plasmique se replie vers l'int rieur entre eux et les divise en cellules s par es, convertissant le blastoderme syncytial en blastoderme cellulaire (Figure 21-15). Nous verrons que le modelage initial de l'embryon de drosophile d pend de signaux qui se diffusent travers le cytoplasme au stade syncytial et exercent leurs actions sur les g nes dans les noyaux qui se divisent rapidement, avant la partition de l'ovule en cellules s par es. Ici, il n'y a pas besoin des formes habituelles de signalisation cellule-cellule ; Les r gions voisines du blastoderme syncytial peuvent communiquer au moyen de prot ines r gulatrices de transcription qui se d placent travers le cytoplasme de la cellule multinucl aire g ante. polarit de l' uf Les g nes codent pour les macromol cules d pos es dans l' uf pour organiser les axes de l'embryon pr coce de drosophile Comme chez la plupart des insectes, les axes principaux du futur corps de la drosophile sont d finis avant la f condation par un change complexe de signaux entre l'ovule en d veloppement, Figure 21 15 D veloppement de l'ovule de drosophile de la f condation au stade de blastoderme cellulaire. ou ovocyte, et les cellules folliculaires qui l'entourent dans l'ovaire. Dans les tapes pr c dant la f condation, les axes ant ropost rieur et dorso-ventral du futur embryon sont d finis par quatre syst mes de g nes de polarit de l' uf qui cr ent des points de rep re soit de l'ARNm ou des prot ines dans l'ovocyte en d veloppement. Suite la fertilisation, chaque point de rep re sert de phare, fournissant un signal qui organise le processus de d veloppement dans son quartier. La nature des g nes a merg d' tudes sur des mutants dans lesquelles la
Biologie moléculaire de la cellule	structure de l'embryon a t modifi e. Une classe de mutations a donn des embryons avec une polarit perturb e par exemple, des structures d'extr mit de queue aux deux extr mit s du corps, sans structures d'extr mit de t te. Cette classe de mutations a identifi l'ensemble des g nes de polarit de l' uf. Le g ne de polarit de l' uf responsable du signal qui organise l'extr mit ant rieure de l'embryon est appel Bico de. Un d p t de mol cules d'ARNm bico des est localis , avant la f condation, l'extr mit ant rieure de l'ovule. Lors de la f condation, l'ARNm est traduit pour produire la prot ine Bicoid. Cette prot ine est un morphog ne intracellulaire et un r gulateur de transcription qui se diffuse loin de sa source pour former un gradient de concentration dans le cytoplasme syncytial, avec son maximum l'extr mit sup rieure de l'embryon (Figure 21 16). Les diff rentes concentrations de Bicoid le long de l'axe A-P aident d terminer diff rents destins cellulaires en r gulant la transcription des g nes dans les noyaux du blastoderme syncytial (voir le chapitre 7). Sur les trois autres syst mes de g nes de polarit de l' uf, deux contribuent structurer les noyaux syncytiaux le long de l'axe A-P et un les structurer le long de l'axe D-V. Avec le groupe de g nes Bico des, et agissant de mani re globalement similaire, leurs produits g niques marquent trois partitions fondamentales de r gions du corps - la t te contre l'arri re, dorsale contre ventrale, et endoderme contre m soderme et ectoderme comme une quatri me cloison, non moins fondamentale pour le plan corporel des animaux : la distinction entre cellules germinales et cellules somatiques (Figure 21-17). Les g nes de polarit de l' uf ont une autre particularit : ce sont tous des g nes d'effet maternel, en ce sens que c'est le g nome de la m re plut t que le g nome du zygote qui est critique. Par exemple, une mouche dont les chromosomes sont mutants dans les deux copies du g ne Bicoid mais qui est n e d'une m re portant une copie normale de Bicoid se d veloppe parfaitement normalement, sans aucun d faut dans le motif de la t te. Cependant, si cette prog niture est une femelle, elle ne peut pas d poser d'ARNm Bicoid fonctionnel dans ses propres ovules, qui se d velopperont donc en embryons sans t te, quel que soit le g notype du p re. Les g nes de polarit de l' uf agissent d'abord dans une hi rarchie de syst mes g n tiques qui d finissent un mod le de plus en plus d taill de parties du corps. Dans les pages qui suivent, nous commen ons par les m canismes mol culaires qui structurent l'embryon et la larve de drosophile en d veloppement le long de l'axe A-P, avant d'examiner le mod le le long de l'axe D-V. Figure 21 16 Le gradient de prot ines Bico des. (a) L'ARNm bico de se d pose au p le ant rieur pendant l'ovogen se. La traduction locale suivie d'une diffusion g n re le gradient de prot ines Bicoid. l'absence du gradient prot ique Bicoid chez les embryons de m res mutantes homozygotes Bicoid. (a et B, avec l'aimable autorisation de Stephen Small.) Figure 21 17 L'organisation des quatre syst mes de gradient de polarit de l' uf chez la drosophile. Nanos est un r presseur translationnel qui r git la formation de l'abdomen. L'ARNm localis de Nanos est galement incorpor dans les cellules germinales lorsqu'elles se forment l'arri re de l'embryon, et la prot ine Nanos est n cessaire au d veloppement de la lign e germinale. La prot ine bico de est un activateur transcriptionnel qui d termine les r gions de la t te et de la thoracique. Toll et Torso sont des prot ines r ceptrices qui sont r parties sur toute la membrane mais ne sont activ es qu'aux sites indiqu s par la coloration, par une exposition localis e aux ligands extracellulaires Spaetzle (le ligand de toll) et trunk (le ligand du torse). L'activit Toll d termine le m soderme et l'activit torse d termine la formation des structures terminales. Figure 21 18 Les origines des segments du corps de la drosophile. (a) 3 heures, l'embryon (montr en vue lat rale) est au stade de blastoderme et aucune segmentation n'est visible, bien qu'une carte du devenir puisse tre dessin e montrant les futures r gions segment es (couleur). (B) 10 heures, tous les segments sont clairement d finis (t1 : premier segment thoracique ; a1 : premier segment abdominal). Voir la vid o 21.3. c) les segments de la larve de drosophile et leur correspondance avec les r gions de l'embryon. (D) les segments de la drosophile adulte et leur correspondance avec les r gions de l'embryon. trois groupes de g nes contr lent la segmentation de la drosophile le long de l'axe a-p Le corps d'un insecte est divis le long de son axe A-P en une s rie de segments. Les segments sont des r p titions d'un th me avec des variations : chaque segment forme des structures hautement sp cialis es, mais toutes construites selon un plan fondamental similaire (Figure 21-18). Les gradients de r gulateurs de transcription mis e
Biologie moléculaire de la cellule	n place le long de l'axe A-P chez l'embryon pr coce par les g nes de polarit de l' uf sont le pr lude la cr ation des segments. Ces r gulateurs initient la transcription ordonn e des g nes de segmentation, qui affinent le mod le d'expression des g nes pour d finir les limites et le plan de base des segments individuels. Les g nes de segmentation sont exprim s par des sous-ensembles de cellules dans l'embryon, et leurs produits sont les premiers composants que le g nome de l'embryon contribue au d veloppement embryonnaire ; Ils sont donc appel s g nes effet zygotique, pour les distinguer des g nes effet maternel action pr coce. Les mutations dans les g nes de segmentation peuvent modifier soit le nombre de segments, soit leur organisation interne de base. Les g nes de segmentation se r partissent en trois groupes en fonction de leurs ph notypes mutants (Figure 21 19). Il est commode de penser que les trois groupes agissent en s quence, bien qu'en r alit leurs fonctions se chevauchent dans le temps. Le premier tre exprim est un ensemble d'au moins six g nes lacunaires, dont les produits marquent les subdivisions grossi res A-P de l'embryon. Les mutations d'un g ne lacunaire liminent un ou plusieurs groupes de segments adjacents : chez le mutant Kr ppel, par exemple, la larve manque de huit segments. Vient ensuite un ensemble de huit g nes de r gle de paire. Les mutations dans ces g nes provoquent une s rie de d l tions affectant d'autres segments, laissant l'embryon avec seulement la moiti de segments que d'habitude ; Bien que tous les mutants pr sentent cette p riodicit deux segments, ils diff rent par le motif pr cis. Enfin, il existe au moins 10 g nes de polarit segmentaire, dans lesquels les mutations produisent un nombre normal de segments, mais avec une partie de chaque segment supprim e et remplac e par une copie en miroir de tout ou partie du reste du segment. Parall lement au processus de segmentation, un autre ensemble de g nes le s lecteur hom otique, ou g nes Hox sert d finir et pr server les diff rences entre un segment et le suivant, comme nous le d crirons bri vement. Les ph notypes des diff rents mutants de segmentation sugg rent que les g nes de segmentation forment un syst me coordonn qui subdivise progressivement l'embryon en domaines de plus en plus petits le long de l'axe A-P, chacun se distinguant par un mod le diff rent d'expression g nique. La g n tique mol culaire a permis de r v ler le fonctionnement de ce syst me. une hi rarchie des interactions r gulatrices des g nes subdivise l'embryon de drosophile Comme Bicoid, la plupart des g nes de segmentation codent pour des prot ines r gulatrices de la transcription. Leur contr le par les g nes de polarit de l' uf et leurs actions les uns sur les autres et sur d'autres g nes encore peuvent tre d chiffr s en comparant l'expression des g nes chez les embryons normaux et mutants. En utilisant des sondes appropri es pour d tecter les transcrits d'ARN ou leurs produits prot iques, on peut observer les g nes s'activer et se d sactiver selon des motifs changeants. En comparant ces mod les chez diff rents mutants, on peut commencer discerner la logique de l'ensemble du syst me de contr le des g nes. Les produits des g nes de polarit de l' uf fournissent les signaux de position globaux dans l'embryon pr coce (voir Figure 21-17). La prot ine Bico de, comme nous l'avons vu, agit comme 0,2 mm Figure 21 19 Exemples de ph notypes de mutations affectant les g nes de polarit de l' uf et les trois types de g nes de segmentation. Dans chaque cas, les zones ombr es en vert sur la larve normale ( gauche) sont supprim es chez le mutant ou sont remplac es par des doublons en miroir des r gions non affect es. (Modifi d'apr s c. N sslein-Volhard et e. Wieschaus, Nature 287:795-801, 1980. Avec l'autorisation de Macmillan publishers Ltd.) un morphog ne et active diff rents ensembles de g nes diff rentes positions le long de l'axe A-P : certains g nes gap ne sont activ s que dans les r gions o les niveaux de Bicoid sont lev s, d'autres uniquement l o les niveaux de Bicoid sont plus faibles. Une fois que les produits du g ne gap ont affin leurs positions par r pression mutuelle, ils fournissent un deuxi me niveau de signaux positionnels qui agissent plus localement pour r guler les d tails plus fins de la structuration. Les g nes gap agissent en contr lant l'expression d'autres g nes, y compris les g nes de la r gle de paire. Les g nes de la r gle de paire, leur tour, collaborent les uns avec les autres et avec les g nes gap pour tablir un mod le r gulier et p riodique d'expression des g nes de polarit segment, qui collaborent les uns avec les autres pour d finir le mod le interne de chaque segment individuel (Figure 21 20). Les tapes initiales de la cr ation du motif segmentaire se produisent avant la cellularisation du blastoderme syncytial et sont r gies par les effets combinatoires des r gulateurs de transc
Biologie moléculaire de la cellule	ription, comme discut en d tail au chapitre 7 pour la r gulation de l'expression du g ne de la r gle de paire Even-skipped (voir pp. 394-396). Apr s la cellularisation, les g nes de polarit segmentaire subdivisent chaque segment en domaines plus petits. Un grand sous-ensemble des g nes de polarit segmentaire code pour les composants de deux voies de signalisation - la voie Wnt et la voie Hedgehog, y compris les prot ines de signal s cr t es Wingless (le premier membre nomm de la famille Wnt) et Hedgehog. (La voie du h risson a t d couverte pour la premi re fois gr ce l' tude de la segmentation de la drosophile, et elle tire son nom de l'aspect pineux de la surface de la Embryon mutant de h risson.) Wingless et Hedgehog sont synth tis s dans diff rentes bandes de cellules qui servent de centres de signalisation au sein de chaque segment. Les deux prot ines maintiennent mutuellement l'expression de l'autre, tout en r gulant l'expression de g nes tels que Engrailed dans les cellules voisines (Figure 21-21). De cette mani re, une s rie d'inductions s quentielles cr e un mod le fin d'expression g nique au sein de chaque segment. Les g nes egg-polarity, Gap et pair-rule cr ent un mod le transitoire qui est m moris par la polarit segmentaire et les g nes Hox Les g nes gap et les g nes de la r gle de paire sont activ s dans les premi res heures suivant la f condation. Leurs produits ARNm apparaissent initialement dans des motifs qui ne font qu'approximer l'image finale ; Puis, en peu de temps, ce motif initial flou se r sout en un syst me de rayures r gulier et bien d fini. Mais ce mod le lui-m me est instable et transitoire : au fur et mesure que l'embryon progresse par gastrulation et au-del , le mod le se d sint gre. Les actions des g nes, cependant, ont transmis un souvenir durable de leurs mod les d'expression en induisant l'expression de certains g nes de polarit de segment avec les g nes Hox (discut bri vement). Apr s une p riode de raffinement des motifs m di e par les interactions cellule-cellule, les mod les d'expression de ces nouveaux groupes de g nes de motifs sont stabilis s pour fournir des marqueurs de position qui servent maintenir l'organisation segmentaire de la larve et de la mouche adulte. Le g ne de polarit segmentaire Engrailed en est un bon exemple. Ses transcrits d'ARN forment une s rie de 14 bandes dans le blastoderme cellulaire, chacune d'environ une cellule de large. Ces bandes se trouvent imm diatement en avant des bandes d'expression similaires d'un autre g ne de polarit segmentaire, Wingless. Au fur et mesure que les cellules de l'embryon en d veloppement continuent de cro tre, de se diviser et de se d placer, un signal de renforcement mutuel entre les cellules exprimant Wingless et les cellules exprimant Engrailed maintient d' troites bandes de leur expression (voir Figure 21-21). Apr s trois cycles cellulaires, les r gulateurs nouvellement exprim s stabilisent un mod le d'expression Engrailed qui durera Figure 21 20 Un exemple de la hi rarchie r gulatrice de la polarit de l' uf, de la segmentation et des g nes Hox. Comme nous l'avons vu dans le texte, il existe trois groupes de g nes de segmentation. les photographies montrent des mod les d'expression de l'ARNm d'exemples repr sentatifs de g nes de chaque type. (Avec l'aimable autorisation de Stephen Small.) Figure 21 21 Maintien mutuel de l'expression du h risson et de l'expression sans ailes. engrailed est un r gulateur de transcription (bleu) qui pilote l'expression du h risson. Hedgehog code pour une prot ine s cr t e (rouge) qui active sa voie de signalisation dans les cellules voisines et les pousse ainsi exprimer le g ne Wingless. son tour, Wingless code une prot ine s cr t e (verte) qui agit sur les voisins de la cellule exprimant Wingless pour maintenir leur expression d'Engrailed et de Hedgehog. Comme indiqu , la m me boucle de contr le se r p te le long de l'axe A-P de la mouche. (D'apr s S. Dinardo et al., Curr. Opin. Genette. Dev. 4:529-534, 1994.) tout au long de la vie de la mouche, longtemps apr s que les signaux qui l'induisaient et l'affinaient aient disparu. Les bordures des segments se formeront sur le bord post rieur de chacune de ces bandes engr l es (Figure 21 22). En plus de r guler les g nes de polarit segmentaire, les produits des g nes de la r gle de paire collaborent avec ceux des g nes gap pour induire l'activation localis e avec pr cision d'un autre ensemble de g nes l'origine appel s g nes de s lection hom otique et maintenant souvent appel s g nes Hox, pour des raisons qui deviendront claires sous peu. Ce sont les g nes Hox qui distinguent d finitivement un segment d'un autre. Dans la section suivante, nous examinerons en d tail ces g nes importants et examinerons leur r le dans la m moire cellulaire ; Nous verrons que ce r le est essentiel chez un large ventail d'animaux, y compris nous-m mes. Les g nes Hox mod lent en permanence l'axe a-p Au fur et mesure
Biologie moléculaire de la cellule	que le d veloppement de l'animal progresse, le corps devient de plus en plus complexe. Mais encore et encore, dans toutes les esp ces et tous les niveaux d'organisation, nous constatons que des structures complexes sont faites en r p tant quelques th mes de base, avec des variations. Ainsi, un nombre limit de types de cellules diff renci es de base, telles que les cellules musculaires ou les fibroblastes, se reproduisent avec de subtiles variations individuelles dans diff rents sites. Ces types de cellules sont organis s en une vari t limit e de types de tissus, tels que les muscles ou les tendons, qui se r p tent nouveau avec des variations subtiles dans diff rentes r gions du corps. partir des divers tissus, des organes tels que les dents ou les doigts sont construits molaires et incisives, doigts, pouces et orteils quelques types de structure de base, r p t s avec des variations. Partout o l'on trouve ce ph nom ne de r p tition modul e, on peut d composer le probl me du biologiste du d veloppement en deux types de questions : quel est le m canisme de construction de base commun tous les objets d'une classe donn e, et comment ce m canisme est-il modifi pour donner les variations observ es chez diff rents animaux ? Les segments du corps de l'insecte en sont un bon exemple. Jusqu' pr sent, nous avons esquiss la mani re dont le rudiment d'un seul segment du corps est construit et comment les cellules de chaque segment deviennent diff rentes les unes des autres. Nous examinons maintenant comment un segment devient d termin , ou sp cifi , comme tant diff rent d'un autre. Le premier aper u de la r ponse ce probl me est apparu il y a plus de 80 ans, avec la d couverte d'un ensemble de mutations chez la drosophile qui provoquent des perturbations bizarres dans l'organisation de la mouche adulte. Chez le mutant Antennapedia, par exemple, les pattes poussent de la t te la place des antennes, tandis que chez le mutant Bithorax, des parties d'une paire d'ailes suppl mentaire apparaissent l o il devrait normalement y avoir des appendices beaucoup plus petits appel s licols (Figure 21-23). Ces mutations transforment des parties du corps en structures appropri es d'autres positions, et elles sont appel es mutations hom otiques (du grec homoios , signifiant similaire) parce que la transformation se produit entre des structures d'un type g n ral reconnaissablement similaire, transformant un type de membre, ou un type de segment, en un autre. Il a finalement t d couvert qu'un ensemble complet de g nes, les g nes s lecteurs hom tiques, ou g nes Hox, servent sp cifier de mani re permanente les caract res A-P de l'ensemble des segments animaux. Ces g nes sont tous li s les uns aux autres en tant que membres d'une famille multig nique. Il y a huit g nes Hox dans la mouche, et ils se trouvent tous dans l'un ou l'autre des deux groupes de g nes connus sous le nom de complexe Bithorax et de complexe Antennapedia. Perte de type sauvage d'Ubx gain d'UbxFigure 21 22 Le mod le d'expression d'Engrailed, un g ne de polarit segmentaire. le motif Engrailed est montr chez un embryon de 10 heures et un adulte (dont les ailes ont t enlev es dans cette pr paration). le motif est r v l par la construction d'une souche de drosophile contenant les s quences de contr le du g ne Engrailed coupl es la s quence codante du rapporteur LacZ, dont le produit est d tect histochimiquement par le produit brun g n r par immunohistochimie contre LacZ (embryon de 10 heures) ou par le produit bleu g n r par une r action que LacZ catalyse (adulte). Notons que le motif Engrel , une fois tabli, est pr serv tout au long de la vie de l'animal. (Avec l'aimable autorisation de Tom Kornberg.) Figure 21 23 Mutations hom otiques. L'ultrabithorax, ou Ubx, est l'un des trois g nes du complexe de g nes Bithorax (un groupe de g nes Hox). Ubx est responsable de toutes les diff rences entre le deuxi me et le troisi me segment thoracique. (a, B) Les mutations de perte de fonction d'Ubx transforment le segment porteur d'halt re (a) en un segment porteur d'ailes, ce qui donne des mouches quatre ailes (B). (c) Le gain de fonction Ubx dans le deuxi me segment thoracique transforme ce segment porteur d'aile en un segment halt re, ce qui donne des mouches sans ailes. (Avec l'aimable autorisation de Richard Mann.) Les g nes du complexe Bithorax contr lent les diff rences entre les segments abdominaux et thoraciques du corps, tandis que ceux du complexe Antennapedia contr lent les diff rences entre les segments thoraciques et ciff r s. Les comparaisons avec d'autres esp ces montrent que les m mes g nes sont pr sents chez pratiquement tous les animaux, y compris les humains. Ces comparaisons r v lent galement que les complexes d'Antennapedia et de Bithorax sont les deux moiti s d'une seule entit , appel e le complexe Hox, qui s'est scind e au cours de l' volution de la mouche, et dont les membres fonctionnent de mani re coordon
Biologie moléculaire de la cellule	n e pour exercer leur contr le sur le motif de la t te la queue du corps. Les produits des g nes Hox, les prot ines Hox, sont des r gulateurs de transcription, qui poss dent tous un hom odomaine de liaison l'ADN hautement conserv , long de 60 acides amin s (voir p. 376). Le motif correspondant dans la s quence d'ADN est appel une hom obo te , d'o , par abr viation, le complexe Hox tire son nom. Il existe de nombreux g nes contenant des hom obox, mais seuls ceux situ s dans un complexe Hox sont des g nes Hox. Les prot ines Hox peuvent tre consid r es comme des marqueurs d'adresse mol culaire poss d s par les cellules de chaque segment : ces tiquettes donnent aux cellules de chaque r gion une valeur de position, c'est- -dire un caract re intrins que qui diff re selon l'emplacement d'une cellule. Si les tiquettes d'adresse d'un segment de drosophile en d veloppement sont modifi es, le segment se comporte comme s'il tait situ ailleurs ; si tous les g nes Hox d'un embryon sont supprim s, les segments du corps de la larve seront tous identiques. En premi re approximation, chaque g ne Hox est normalement exprim dans les r gions qui se d veloppent anormalement lorsque ce g ne est mut ou absent. Comment chaque prot ine Hox donne-t-elle un segment son identit permanente ? Toutes les prot ines Hox sont similaires dans leurs r gions de liaison l'ADN, mais elles sont tr s diff rentes dans les r gions qui interagissent avec les autres prot ines avec lesquelles les prot ines Hox forment des complexes r gulateurs transcriptionnels. Les diff rents partenaires prot iques agissent de concert avec les prot ines Hox pour dicter quels sites de liaison l'ADN seront reconnus, ainsi que si l'effet sur la transcription ces sites sera l'activation ou la r pression. En agissant de cette mani re, les prot ines Hox modulent les actions de nombreux autres r gulateurs de transcription. Des centaines de g nes sont sous ce type de contr le modul par Hox, y compris des g nes pour la signalisation cellule-cellule, la r gulation transcriptionnelle, la polarit cellulaire, l'adh sion cellulaire, la fonction cytosquelettique, la croissance cellulaire et la mort cellulaire, tous conspirant (d'une mani re qui n'est pas encore comprise) pour donner chaque segment son caract re distinctif d pendant de Hox. Les g nes Hox sont exprim s selon leur ordre dans le complexe Hox Comment, alors, l'expression des g nes Hox eux-m mes est-elle r gul e ? Les s quences codantes des huit g nes Hox dans les complexes Antennapedia et Bithorax chez la drosophile sont intercal es dans une quantit beaucoup plus importante d'ADN r gulateur. Cet ADN comprend des sites de liaison pour les produits des g nes de polarit et de segmentation de l' uf, servant ainsi d'interpr te des multiples l ments d'information spatiale qui lui sont fournis par tous ces r gulateurs de transcription. Le r sultat net est que l'ensemble particulier de g nes Hox transcrits est appropri pour chaque emplacement le long de l'axe A-P du corps. Le mod le d'expression du g ne Hox pr sente une r gularit remarquable qui sugg re une forme suppl mentaire de contr le. La s quence dans laquelle les g nes sont ordonn s le long du chromosome, la fois dans les complexes Antennapedia et Bithorax, correspond presque exactement l'ordre dans lequel ils sont exprim s le long de l'axe A-P du corps (Figure 21-24). Cela sugg re un processus d'activation g nique, peut- tre d pendant des structures de la chromatine qui se propagent le long des complexes Hox, activant un g ne Hox apr s l'autre selon leur ordre le long du chromosome. Le plus post rieur des g nes Hox qui sont exprim s dans une cellule domine g n ralement, r duisant l'expression et l'activit des g nes ant rieurs et dictant le caract re du segment. Les m canismes de r gulation des g nes l'origine de ces ph nom nes sont encore mal compris, mais leurs cons quences sont profondes. Nous verrons que l'organisation en s rie de l'expression des g nes dans le complexe Hox est une caract ristique fondamentale qui a t tr s conserv e au cours de l' volution animale. Les prot ines du groupe trithorax et polycomb permettent aux complexes Hox de maintenir un enregistrement permanent des informations de position Le mod le spatial d'expression des g nes dans le complexe Hox est mis en place par des signaux agissant t t dans le d veloppement, mais les cons quences sont durables. Bien que le mod le d'expression subisse des ajustements complexes au fur et mesure du d veloppement, les complexes Hox servent marquer chaque cellule et sa descendance avec un enregistrement permanent de la position A-P que la cellule occupait dans l'embryon pr coce. De cette fa on, les cellules de chaque segment sont quip es d'une m moire long terme de leur emplacement le long de l'axe A-P du corps. Cette trace mn sique est en quelque sorte imprim e sur les complexes Hox, et elle r git l'identit sp cifique aux segments non seulement de
Biologie moléculaire de la cellule	s segments larvaires, mais aussi des structures de la mouche adulte. Le m canisme mol culaire de cette m moire de l'information de position repose sur deux types de r gulation. L'une provient des g nes Hox eux-m mes : de nombreuses prot ines Hox activent automatiquement la transcription de leurs propres g nes, aidant ainsi maintenir les g nes ind finiment. Un autre apport crucial provient de deux grands ensembles compl mentaires de prot ines, appel s le groupe Trithorax et le groupe Polycomb, qui marquent la chromatine du complexe Hox avec un enregistrement h r ditaire de son tat embryonnaire d'activation ou de r pression. Il s'agit de r gulateurs g n raux cl s de la structure de la chromatine qui peuvent s'av rer essentiels pour la m moire cellulaire : si les g nes du groupe Trithorax ou Polycomb sont d fectueux, le mod le d'expression des g nes Hox est mis en place correctement au d but, mais il n'est pas correctement maintenu mesure que l'embryon vieillit. Les deux ensembles de r gulateurs agissent de mani re oppos e. Les prot ines du groupe Trithorax sont n cessaires pour maintenir la transcription des g nes Hox dans les cellules o la transcription a d j t activ e. En revanche, les prot ines du groupe Polycomb forment des complexes stables qui se lient la chromatine du complexe Hox et maintiennent l' tat r prim dans les cellules o les g nes Hox n'ont pas t activ s au moment critique (Figure 21 25). La fa on dont de tels changements dans la chromatine peuvent stocker la m moire des cellules d veloppementales est discut e dans les chapitres 4 et 7. les g nes de signalisation D-V cr ent un gradient du r gulateur de transcription dorsal Comme pour la structuration le long de l'axe A-P de la drosophile dont nous venons de parler, la structuration le long de l'axe dorso-ventral (D-V) commence avec les produits g niques maternels qui d finissent Figure 21 24 Les mod les d'expression par rapport aux localisations chromosomiques des g nes du complexe Hox. Le sch ma montre la s quence des g nes dans chacune des deux subdivisions du complexe chromosomique. cela correspond, avec des carts mineurs, la s quence spatiale dans laquelle les g nes sont exprim s, comme le montre la photographie d'un embryon de drosophile au stade dit de r traction de la bande germinale, environ 10 heures apr s la f condation. l'embryon a t color par hybridation in situ avec des sondes tiquet es diff remment pour d tecter les produits ARNm de diff rents g nes Hox de diff rentes couleurs. (photographie reproduite avec l'aimable autorisation de William McGinnis, adapt e de D. Kosman et al., Science 305:846, 2004. Avec l'autorisation de aaaS.) Figure 21 25 Le r le des g nes du groupe Polycomb. (a) photographie d'un embryon de drosophile de type sauvage. (B) photographie d'un embryon mutant d fectueux pour le g ne Extra sex combs (Esc) et d riv d'une m re galement d pourvue de ce g ne. le g ne appartient au groupe Polycomb. Essentiellement, tous les segments ont t transform s pour ressembler au segment abdominal le plus post rieur. Chez le mutant, le mod le d'expression des g nes s lecteurs hom tiques, qui est peu pr s normal au d part, est instable de telle sorte que tous ces g nes sont rapidement activ s tout le long de l'axe du corps. (D'apr s G. Struhl, Nature 293:36-41, 1981. Avec l'autorisation de Macmillan publishers Ltd.) cet axe dans l' uf (voir Figure 21-17), et il progresse ensuite travers les produits g niques zygotiques qui subdivisent davantage l'axe D-V dans l'embryon. Initialement, une prot ine produite par les cellules folliculaires sous la future r gion ventrale de l'embryon conduit l'activation localis e d'un r cepteur transmembranaire, appel Toll, sur la face ventrale de l'ovule membrane. Les diff rents g nes maternels n cessaires ce processus sont appel s g nes de polarit de l' uf D-V. (Curieusement, la drosophile Toll et les prot ines de type Toll des vert br s op rent galement dans les r ponses immunitaires inn es, comme nous l'avons vu au chapitre 24). L'activation localis e de Toll contr le la distribution de Dorsal, un r gulateur de transcription de la famille NF B discut au chapitre 15. L'activit r gul e par Toll de Dorsal, comme celle de NF B, d pend de la translocation de Dorsale du cytosol, o elle est maintenue sous une forme inactive, vers le noyau, o elle r gule l'expression des g nes (voir Figure 15 62). Dans l' uf nouvellement pondu, l'ARNm dorsal et les prot ines sont r partis uniform ment dans le cytosol. Apr s que les noyaux du blastoderme syncytial ont migr vers la surface de l'embryon, mais avant la cellularisation (voir Figure 21-15), l'activation du r cepteur Toll sur la face ventrale induit une redistribution remarquable de la prot ine dorsale. Sur la face dorsale, la prot ine reste dans le cytosol, mais ventralement, elle se concentre dans les noyaux, avec un gradient r gulier de localisation nucl aire entre ces deux extr mes (Figure 21 26). Une fois
Biologie moléculaire de la cellule	l'int rieur du noyau, la prot ine dorsale agit comme un morphog ne et active ou d sactive l'expression de diff rents ensembles de g nes en fonction de la concentration de Dorsal. L'expression de chaque g ne r pondant d pend de son ADN r gulateur, en particulier du nombre et de l'affinit des sites de liaison que cet ADN contient pour les r gulateurs dorsaux et autres r gulateurs de transcription. De cette fa on, l'ADN r gulateur interpr te le signal de position fourni par le gradient de la prot ine dorsale nucl aire, de mani re d finir une s rie de territoires D-V des bandes distinctives de cellules qui s' tendent sur toute la longueur de l'embryon. Le plus ventralement, l o la concentration nucl aire de la prot ine dorsale est la plus lev e, il active, par exemple, l'expression d'un g ne appel Twist, qui est sp cifique du m soderme. La plupart du temps, l o la concentration nucl aire de la prot ine dorsale est la plus faible, les cellules activent un g ne appel d capentapl gique (Dpp). Et dans une r gion interm diaire, o la concentration nucl aire de la prot ine dorsale est suffisamment lev e pour r primer Dpp mais trop faible pour activer Twist, les cellules activent un autre ensemble de g nes, dont un appel Gastrulation courte (Sog) (Figure 21-27A). Les produits des g nes directement r gul s par la prot ine dorsale g n rent leur tour des signaux plus locaux, qui d finissent des subdivisions plus fines le long de l'axe D-V. Ces signaux agissent lors de la cellularisation et prennent la forme d'extracellulaires conventionnels Figure 21 26 Le gradient de concentration de la prot ine dorsale dans les noyaux du blastoderme. Chez les embryons de drosophile de type sauvage, la prot ine est pr sente dans le cytoplasme dorsal et absente des noyaux dorsaux ; Ventralement, il est appauvri dans le cytoplasme et concentr dans les noyaux. Chez un mutant dans lequel la voie de p age est activ e partout et pas seulement ventralement, la prot ine dorsale est partout concentr e dans les noyaux ; Le r sultat est un embryon ventralis . l'inverse, chez un mutant chez lequel la voie de signalisation Toll est inactiv e, la prot ine dorsale reste partout dans le cytoplasme et est absente des noyaux ; Le r sultat est un embryon dorsalis . (Extrait de S. roth, D. Stein et c. N sslein-Volhard, Cell 59:1189 1202, 1989. Avec l'autorisation d'elsevier.) 1166 Chapitre 21 : D veloppement des organismes multicellulaires (B) Les gradients des prot ines Dpp et Sog Les territoires dorso-ventraux sont des prot ines signaux sp cifi es. En particulier, Dpp code pour une prot ine s cr t e de la famille TGF , qui forme un gradient morphog ne local dans la partie dorsale de l'embryon. Sog code pour une autre prot ine s cr t e qui est produite par l'ectoderme neurog ne (qui donne naissance au syst me nerveux) et agit comme un antagoniste de la prot ine Dpp. Les gradients de diffusion oppos s de ces deux prot ines signaux cr ent un gradient abrupt d'activit Dpp : les niveaux d'activit Dpp les plus lev s, en combinaison avec certains autres facteurs, provoquent le d veloppement du tissu le plus dorsal de tous, une membrane extra-embryonnaire. Les niveaux interm diaires provoquent le d veloppement de l' piderme dorsal ; et l'absence d'activit Dpp permet le d veloppement d'un ectoderme neurog ne (Figure 21 27B). une hi rarchie des interactions inductives subdivise l'embryon de vert br L'analyse g n tique mol culaire du d veloppement de la drosophile a r v l comment une cascade de r gulateurs de transcription et de voies de signalisation subdivise l'embryon. Le m me principe de mod le progressif Le raffinement est utilis pendant le d veloppement de tous les embryons animaux, y compris les vert br s. Remarquablement, la conservation ne se limite pas la strat gie g n rale de formation des motifs, mais s' tend galement de nombreuses mol cules impliqu es. Comme mentionn pr c demment, les premi res phases du d veloppement des vert br s sont tonnamment variables, m me entre des esp ces troitement apparent es, et il est m me difficile de dire pr cis ment comment les axes d'un embryon de mouche pr coce correspondent ceux d'un embryon de grenouille ou de souris pr coce. N anmoins, nous verrons qu'au milieu de cette d monstration de plasticit volutive, certaines caract ristiques du d veloppement pr coce s'av rent tre tr s Figure 21 27 Comment les gradients morphog niques guident un processus de structuration le long de l'axe dorso-ventral de l'embryon de drosophile. (a) Initialement, un gradient de prot ine dorsale d finit trois grands territoires d'expression g nique, marqu s ici par l'expression de trois g nes repr sentatifs : Dpp, Sog et Twist. (B) Un peu plus tard, les cellules exprimant Dpp et Sog s cr tent, respectivement, les prot ines signaux Dpp (un membre de la famille tGF ) et Sog (un antagoniste de Dpp). ces deux prot ines diffusent ensuite et interagissent l'une avec l'autre (et avec certains autres
Biologie moléculaire de la cellule	facteurs) pour cr er les territoires dorso-ventraux (D-V) montr s. Conserv . Il en va de m me pour les stades ult rieurs du d veloppement, souvent un degr tonnant. D'apr s notre propre anatomie, il est vident que nous sommes cousins des oiseaux et des poissons. Mais en regardant les m canismes mol culaires, nous voyons que nous sommes aussi cousins des mouches et des vers. Dans les pages suivantes, nous discutons de la fa on dont les embryons de vert br s sont model s par l'interaction des mol cules de signalisation et des r gulateurs de transcription. Nous commen ons par discuter de la formation et de la structuration des axes embryonnaires chez les amphibiens, en prenant l'exemple de la grenouille Xenopus. Nous avons d j abord ce sujet plus haut dans le chapitre. Ici, nous reprenons le fil et tablissons des comparaisons avec la mouche. Comme nous l'avons not pr c demment, l'origine des axes embryonnaires et des trois couches germinales de la grenouille remonte la blastula (voir la figure 21-3A). En marquant des blastom res individuels, nous pouvons suivre les cellules travers toutes leurs divisions, transformations et migrations et voir ce qu'elles deviennent et d'o elles viennent. Les pr curseurs de l'ectoderme, du m soderme et de l'endoderme sont dispos s dans l'ordre le long de l'axe animal-v g tal de la blastula : l'endoderme d rive des blastom res les plus v g taux, l'ectoderme des plus animaux, et le m soderme d'un ensemble moyen. Au sein de chacun de ces territoires, les cellules ont des destins divers en fonction de leur position le long de l'axe D-V de l'embryon ult rieur. Pour l'ectoderme, les pr curseurs de l' piderme sont situ s ventralement et les neurones futurs se trouvent dorsalement ; Pour le m soderme, les pr curseurs de la notochorde, du muscle, des reins et du sang sont dispos s de la dorsale la ventrale. Tout cela peut tre repr sent par une carte du destin qui montre quels types de cellules d rivent de quelles r gions de la blastula (Figure 21 28). La carte du destin nous confronte la question centrale : comment les cellules dans diff rentes positions sont-elles pouss es vers leurs diff rents destins ? Nous avons d j expliqu comment les facteurs maternels d pos s dans l' uf de grenouille en d veloppement d finissent son axe animal-v g tal, et comment la rotation corticale d clench e par la f condation d finit l'orientation de l'axe dorso-ventral (voir Figure 21-14). Mais comment l' tablissement des axes conduit-il la subdivision de l'embryon dans les futures parties du corps ? Les produits g niques maternels conduisent la formation de centres de signalisation sur les c t s v g tal et dorsal de l'embryon. Le centre de signalisation dorsal en particulier a une place particuli re dans l'histoire de la biologie du d veloppement. Des exp riences men es au d but du XXe si cle l'ont identifi comme un petit groupe de cellules, situ sur la face dorsale de l'embryon d'amphibien, avec une propri t extraordinaire : lorsque les cellules taient transplant es sur un site oppos , elles pouvaient d clencher une r organisation radicale du tissu voisin, l'amenant former un deuxi me axe du corps entier (Figure 21-29). La d couverte de ce centre de signalisation, appel l'Organisateur, a ouvert la voie une analyse pionni re de la cha ne d'interactions inductives qui tablit le cadre du corps des vert br s. Contrairement l'embryon syncytial de drosophile, l' uf de grenouille f cond subit des divisions de clivage rapides qui aboutissent un embryon compos de milliers de cellules. Le modelage doit donc tre m di par Mol cules de signal extracellulaire Figure 21 28 Carte du destin de la blastule chez un embryon de grenouille. L'endoderme d rive des blastom res les plus v g taux (jaune), l'ectoderme des plus animaux (bleu) et le m soderme d'un ensemble interm diaire (vert) qui contribue galement l'endoderme et l'ectoderme. Diff rents types de cellules d rivent de diff rentes positions le long de l'axe dorso-ventral. Figure 21 29 Induction d'un axe secondaire par l'organisateur. un embryon d'amphibien re oit une greffe d'un petit groupe de cellules pr lev es sur un site sp cifique, appel r gion organisatrice, sur la face dorsale d'un autre embryon au m me stade. Les signaux du greffon organisent le comportement des cellules voisines de l'embryon h te, provoquant le d veloppement d'une paire de jumeaux siamois (siamois). Voir la vid o 21.4. [apr s J. Holtfreter et V. Hamburger, dans analyse du d veloppement (B.h. Willier, p.a. Weiss et V. hamburger, d.), pp. 230-296. Philadelphie : Saunders, 1955.] 1168 Chapitre 21 : D veloppement d'organismes multicellulaires qui diffusent travers l'embryon d'une cellule l'autre, et non par des r gulateurs de transcription qui se d placent travers le cytoplasme d'un syncytium. Il n'est pas surprenant que l'Organizer soit maintenant connu pour tre une source majeure de signaux prot iques s cr t s. une comp tition en
Biologie moléculaire de la cellule	tre les prot ines de signalisation s cr t es mod le l'embryon de vert br Les mol cules signaux qui mod lent l'embryon de grenouille le long de l'axe animal-v g tal (A-V) appartiennent la famille des TGF : elles sont s cr t es par un centre de signalisation au p le v g tal et forment des gradients de concentration le long de l'axe A-V. La prot ine nodale agit sur une port e relativement courte : les cellules proches du p le v g tal sont expos es des niveaux lev s de celle-ci et r agissent en activant des g nes qui favorisent le d veloppement de l'endoderme ; Les cellules plus loign es sont expos es des niveaux plus faibles et activent des g nes qui favorisent la formation du m soderme. Les cellules au p le v g tal qui produisent Nodal produisent galement une prot ine de type TGF diffusion plus rapide appel e Lefty, qui antagonise Nodal. Le r sultat est un rapport lev entre Lefty et Nodal au p le animal, o Lefty pr domine et o la signalisation Nodal est bloqu e ; cela provoque le d veloppement des cellules qui s'y trouvent sous forme d'ectoderme (Figure 21-30A). Ainsi, une activation mi-chemin par Nodal, combin e une inhibition longue port e par Lefty, tablit le mod le de prog niteurs le long de l'axe A-V pour les trois couches germinales endoderme, m soderme et ectoderme. Le syst me de signalisation dorsale de la grenouille utilise un ensemble diff rent de signaux s cr t s de celui du syst me de signalisation v g tale pour subdiviser les territoires de la couche germinale en fonction de l'emplacement le long de l'axe D-V de l'embryon. Il exerce son influence en s cr tant deux prot ines de signal inhibitrices, appel es Chordin et Noggin. Celles-ci antagonisent l'action des prot ines morphog n tiques osseuses (BMP ; membres d'une autre sous-classe de la famille des TGF ), qui sont elles-m mes s cr t es dans tout l'embryon. De cette fa on, Chordin et Noggin forment un gradient dorsal-ventral qui bloque la signalisation BMP sur la face dorsale mais lui permet de rester haute sur la face ventrale (Figure 21 30B). Les cellules ectodermiques qui subissent des niveaux lev s de signalisation BMP sont entra n es vers des destins pidermiques, tandis que les cellules qui subissent peu ou pas de signalisation BMP restent neurales. Connaissant les signaux qui sp cifient les trois couches germinales et les diff rents types de tissus du corps des vert br s, on peut reproduire cette sp cification dans une bo te de culture. Des cellules de grenouille pr lev es dans la r gion du p le animal de l'embryon, par exemple, Figure 21 30 Comment la signalisation des prot ines morphog niques nodales et osseuses (BMP) mod lise les axes embryonnaires. Nodal et son antagoniste Lefty mod lent l'axe animal-v g tal, tandis que BMp et ses antagonistes chordin et Noggin mod lent l'axe dorso-ventral. Dans la r gion du p le animal, o les niveaux de Nodal sont faibles par rapport Lefty, Lefty emp che Nodal de se lier ses r cepteurs. Dans la r gion v g tale, il y a un exc s de Nodal, ce qui entra ne l'activation de la voie Nodal. le long de l'axe dorso-ventral, BMp est largement pr sent mais chordin et Noggin sont concentr s sur la face dorsale : l , ils se lient BMp et bloquent sa liaison aux r cepteurs. les mod les r sultants de l'activit nodale et BMp sont illustr s au bas de la figure. se diff rencient en sang (un tissu m sodermique ventral) lorsqu'elles sont d tourn es de leur destin initial par l'exposition des concentrations interm diaires de ganglions et des concentrations lev es de BMP. De m me, il est possible d'amener des cellules souches embryonnaires de souris ou d'humains g n rer des types de cellules sp cifiques en les exposant en culture des combinaisons appropri es de mol cules de signal. De cette fa on, les connaissances acquises gr ce aux tudes du d veloppement animal peuvent tre utilis es pour g n rer les types de cellules n cessaires la m decine r g n rative, comme nous le verrons dans le chapitre suivant. l'axe dorso-ventral de l'insecte correspond l'axe ventral-dorsal des vert br s Les syst mes de signalisation qui mod lent l'axe D-V chez la drosophile et chez les vert br s sont similaires. Chez la drosophile, comme nous l'avons vu, la Dpp et son inhibiteur Sog sont responsables, tandis que chez les vert br s, la BMP et ses inhibiteurs Chordin et Noggin font le travail. Dpp est un membre de la famille BMP, tandis que Sog est un homologue de Chordin. Tant chez les mouches que chez les grenouilles, des niveaux lev s d'inhibiteurs d finissent la r gion qui est neurog ne, et des niveaux lev s d'activit BMP/Dpp d finissent la r gion qui ne l'est pas. Ces parall les mol culaires et d'autres sugg rent fortement que cet aspect de la structure corporelle a t conserv au cours de l' volution, des insectes aux vert br s. Curieusement, cependant, l'axe est invers : dorsal chez la mouche correspond ventral chez le vert br (Figure 21 31). un moment donn de l' volutio
Biologie moléculaire de la cellule	n, il semble que l'anc tre de l'une de ces classes d'animaux ait commenc vivre la vie l'envers. Les g nes Hox contr lent l'axe a-p des vert br s La conservation des m canismes de d veloppement entre la drosophile et les vert br s s' tend au-del du syst me de signalisation D-V. Les g nes Hox se trouvent dans presque toutes les esp ces animales tudi es, o ils sont souvent regroup s dans des complexes similaires au complexe Hox de l'insecte. Chez la souris et l'homme, par exemple, il existe quatre complexes de ce type, appel s complexes HoxA, HoxB, HoxC et HoxD, chacun sur un chromosome diff rent. Les g nes individuels de chaque complexe peuvent tre reconnus par leurs s quences comme homologues de membres sp cifiques de l'ensemble de la drosophile. En effet, les g nes Hox des mammif res peuvent fonctionner chez la drosophile en remplacement partiel des g nes Hox correspondants de la drosophile. Il semble que chacun des quatre complexes Hox de mammif res soit, en gros, l' quivalent d'un complexe Hox d'insecte complet (c'est- -dire un complexe Antennapedia plus un complexe Bithorax) (Figure 21 32). L'ordre des g nes au sein de chaque complexe Hox vert br est essentiellement le m me que dans le complexe Hox d'insectes, ce qui sugg re que les quatre complexes de vert br s proviennent de duplications d'un seul complexe primordial et ont conserv son organisation de base. Plus r v lateur encore, lorsque les mod les d'expression des g nes Hox sont examin s dans l'embryon de vert br , il s'av re que les membres de chaque complexe sont exprim s dans une s rie de t te queue le long de l'axe du corps, tout comme ils le sont chez la drosophile. Comme chez la drosophile, les mod les d'expression des g nes Hox des vert br s sont souvent align s avec les segments des vert br s. Cet alignement est particuli rement clair dans le cerveau post rieur (voir figures 21-32), o les segments sont appel s rhombom res. Les produits des g nes Hox des vert br s, les prot ines Hox, sp cifient des valeurs de position qui contr lent le mod le A-P des parties du cerveau post rieur, du cou et du tronc (ainsi que certaines autres parties du corps). Comme chez la drosophile, lorsqu'un g ne Hox post rieur est exprim artificiellement dans une r gion ant rieure, il peut convertir le tissu ant rieur en Figure 21 31 Le plan corporel des vert br s en tant qu'inversion dorso-ventrale du plan corporel de l'insecte. Notez la correspondance en ce qui concerne le syst me circulatoire ainsi que l'intestin et le syst me nerveux. Chez les insectes, le syst me circulatoire est repr sent par un c ur tubulaire et un vaisseau sanguin dorsal principal, qui pompe Le sang s' coule dans les espaces tissulaires par un ensemble d'ouvertures et re oit le sang des tissus par un autre ensemble. Contrairement aux vert br s, les insectes n'ont pas de syst me de vaisseaux capillaires pour contenir le sang lorsqu'il percole dans les tissus. N anmoins, le d veloppement du c ur d pend de g nes homologues chez les vert br s et les insectes, ce qui renforce la relation entre les deux plans corporels. (d'apr s e.L. Ferguson, Curr. Opin. Genette. Dev. 6:424-431, 1996. Avec l'autorisation d'elsevier.) Bcd, Lab Pb un caract re post rieur. l'inverse, la perte des g nes Hox post rieurs permet au tissu post rieur o ils sont normalement exprim s d'adopter un caract re ant rieur (Figure 21 33). En raison d'une redondance entre les g nes des quatre groupes de g nes Hox, les transformations observ es chez les mutants Hox de souris ne sont pas toujours aussi simples que celles de la mouche, et elles sont souvent incompl tes. N anmoins, il semble clair que la mouche et la souris utilisent essentiellement la m me machinerie mol culaire pour transmettre des caract ristiques individuelles des r gions successives le long d'au moins une partie de l'axe A-P. Tout comme il existe des g nes qui r gulent la formation de motifs et l'identit segmentaire, il existe des g nes dont les produits agissent comme des d clencheurs pour le d veloppement d'un type de cellule sp cifique ou m me d'un organe sp cifique, initiant et coordonnant l'ensemble du programme complexe d'expression g nique qui est requis. Un exemple est le MyoD/myog nine Figure 21 32 Les complexes Hox d'un insecte et d'un mammif re, compar s et li s des r gions du corps. les g nes des complexes Antennapedia et Bithorax de la drosophile sont repr sent s dans leur ordre chromosomique sur la ligne sup rieure. les g nes correspondants des quatre complexes Hox de mammif res sont pr sent s ci-dessous, galement dans l'ordre chromosomique. Les domaines d'expression g nique chez la mouche et le mammif re sont indiqu s sous une forme simplifi e par la couleur dans les dessins anim s d'animaux ci-dessus et ci-dessous. Il y a un parall lisme remarquable. cependant, les d tails des motifs d pendent du stade de d veloppement et varient quelque peu d'un complexe Hox mammif re l'autre. de plus, dans de nombreux cas, les g n
Biologie moléculaire de la cellule	es montr s ici comme exprim s dans un domaine ant rieur sont galement exprim s plus post rieurement, chevauchant les domaines de g nes Hox plus post rieurs. on pense que les complexes ont volu comme suit : tout d'abord, chez un anc tre commun des vers, des mouches et des vert br s, un seul g ne de s lection hom otique primordial a subi une duplication r p t e pour former une s rie de ces g nes en tandem le complexe Hox ancestral. Dans la sous-lign e de la drosophile, ce seul complexe a t scind en complexes distincts Antennapedia et Bithorax. Pendant ce temps, dans la lign e menant aux mammif res, l'ensemble du complexe a t dupliqu plusieurs reprises pour donner quatre complexes Hox. Le parall lisme n'est pas parfait car apparemment certains g nes individuels ont t dupliqu s et d'autres perdus. D'autres encore ont t coopt s des fins diff rentes (g nes entre parenth ses dans la ligne sup rieure) au cours du temps qui s'est coul depuis que les complexes ont diverg . (D'apr s un sch ma avec l'aimable autorisation de William McGinnis.) Gain de fonction Hox Perte de fonction Hox famille de r gulateurs de transcription que nous avons rencontr e au chapitre 7. Ces prot ines entra nent les cellules se diff rencier en muscles, exprimant des actines et des myosines sp cifiques aux muscles et toutes les autres prot ines cytosquelettiques, m taboliques et membranaires sp cialis es dont une cellule musculaire a besoin. De m me, les membres de la famille des r gulateurs de transcription Achaete/Scute conduisent les cellules devenir des prog niteurs neuraux. Dans ces deux exemples, les prot ines appartiennent la classe de r gulateurs de transcription de base h lice-boucle-h lice (bHLH) (voir p. 377), et il en va de m me pour de nombreuses autres prot ines qui induisent la diff renciation de types cellulaires particuliers. Ces r gulateurs de transcription ma tres exercent leur puissante activit induisant la diff renciation en se liant de nombreux sites r gulateurs diff rents dans le g nome et en contr lant ainsi l'expression d'un grand nombre de g nes cibles en aval. Dans un cas bien tudi , celui d'un membre de la famille des Ach tes/Scute appel Atonal homologue 1 (Atoh1), le nombre de g nes cibles directs dans le g nome de la souris est sup rieur 600. Il est important de noter, cependant, que m me des moteurs aussi puissants de la diff renciation cellulaire peuvent avoir des effets radicalement diff rents selon le contexte et l'histoire des cellules dans lesquelles ils agissent : Atoh1, par exemple, entra ne la diff renciation de certaines classes de neurones dans le cerveau, des cellules cili es sensorielles dans l'oreille interne et des cellules s cr toires dans la muqueuse de l'intestin. D'autres g nes codant pour des r gulateurs de transcription peuvent conduire la formation et l'assemblage de plusieurs cellules types qui constituent un organe entier. Un exemple c l bre est le r gulateur de transcription Eyeless. Lorsqu'il est exprim artificiellement dans une parcelle de cellules chez les pr curseurs de la patte de la drosophile, un organe oculaire bien organis se d veloppe sur la jambe, avec les diff rents types de cellules oculaires correctement dispos s (voir Figure 7-35B) ; l'inverse, la perte du g ne Eyeless entra ne des mouches qui n'ont pas d'yeux. De plus, la perte de l'homologue Eyeless Pax6 chez les vert br s entra ne galement une perte de structures oculaires. Des prot ines de s lection d'organes similaires sont connues pour l'intestin ant rieur, le c ur, le pancr as et d'autres organes. Ce sont tous des ma tres r gulateurs de transcription qui r gulent directement des centaines de g nes cibles, dont les produits sp cifient et construisent ensuite les diff rents l ments de l'organe appropri . Cependant, comme dans l'exemple d'Atoh1, ils n'exercent g n ralement leur effet sp cifique qu'en combinaison avec les bons partenaires, qui ne sont exprim s que dans les cellules qui ont t correctement amorc es lors de leur d veloppement ant rieur. Apr s l' tablissement du plan corporel de base et la g n ration de pr curseurs d'organes, de nombreuses autres tapes de raffinement du mod le sont n cessaires pour obtenir le mod le adulte de cellules diff renci es en phase terminale dans les tissus et les organes. Comme nous l'avons discut Figure 21 33 Contr le du motif ant ropost rieur par les g nes Hox chez la souris. (a,B) une souris normale (type sauvage) a environ 65 vert bres, dont la structure diff re selon leur position le long de l'axe du corps : 7 cervicales (cou), 13 thoraciques (avec c tes), 6 lombaires [encadr es d'ast risques jaunes en (B)], 4 sacr es [encadr es d'ast risques rouges en (B)], et environ 35 caudales (queue). montre une vue lat rale et (B) montre une vue dorsale ; Pour plus de clart , les membres ont t retir s sur chaque image. le g ne HoxA10 est normalement exprim dans la r gion lombaire (avec ses paralogues HoxC10 et HoxD10) ; Ici, il a
Biologie moléculaire de la cellule	t exprim artificiellement dans le tissu vert bral en d veloppement tout le long de l'axe du corps. En cons quence, les vert bres cervicales et thoraciques sont toutes converties en un caract re lombaire. (D) l'inverse, lorsque HoxA10 est retir en m me temps que HoxC10 et HoxD10, les vert bres qui devraient normalement avoir un caract re lombaire ou sacr prennent un caract re thoracique la place. (a et c, d'apr s M. carapu o et al., Genes Dev. 19:2116 2121, 2005. Avec l'autorisation de Cold Spring Harbor Laboratory press ; B et D, de D.M. Wellik et M.r. capecchi, Science 301:363-367, 2003.) plus t t, l'inhibition lat rale m di e par la signalisation Notch est cruciale la fois pour la diversification cellulaire et la structuration fine dans une norme vari t de tissus chez tous les animaux. Un exemple est le d veloppement de soies sensorielles chez la drosophile, plus facilement visibles sur le dos de la mouche, mais galement pr sentes sur la plupart de ses autres surfaces expos es. Chacun d'entre eux est un organe sensoriel miniature, compos d'un neurone sensoriel et d'un petit ensemble de cellules de soutien. Certaines soies r agissent des stimuli chimiques, d'autres des stimuli m caniques, mais elles sont toutes construites de la m me mani re (Figure 21 34). Les g nes pro-neuraux Achaete et Scute mentionn s pr c demment marquent les plaques de l' piderme l'int rieur desquelles les poils se formeront. Les mutations qui liminent l'expression de ces g nes certains de leurs sites habituels bloquent le d veloppement des poils ces sites seulement, et les mutations qui provoquent l'expression dans des sites anormaux provoquent le d veloppement de poils cet endroit. Les cellules initiales exprimant les g nes proneuraux sont appel es cellules proneurales, et elles sont pr tes emprunter la voie neurosensorielle de diff renciation, mais laquelle des cellules le fera r ellement d pend des interactions comp titives entre elles. Dans la premi re s rie de ces interactions, une seule cellule au sein de chaque petit groupe de cellules proneurales est choisie pour servir de prog niteur de la soie. Cette cellule unique est appel e cellule m re sensorielle. Il se distingue des autres cellules de l'amas par une inhibition lat rale m di e par la voie de signalisation Notch. Cela fonctionne de la mani re dont nous l'avons vu plus t t. Les cellules du cluster proneural expriment initialement toutes la fois le r cepteur transmembranaire Notch et son ligand transmembranaire Delta, ainsi que des prot ines qui r gulent l'activit de signalisation de Delta. Partout o Delta active Notch, un signal inhibiteur est transmis qui diminue la tendance de la cellule activ e par Notch se sp cialiser en tant que cellule m re sensorielle. Au d but, toutes les cellules de l'amas s'inhibent mutuellement. Cependant, la r ception du signal dans une cellule donn e diminue la capacit de cette cellule se d fendre en d livrant le signal Delta inhibiteur en retour. Cela cr e une situation de concurrence, partir de laquelle une seule cellule de chaque groupe la future cellule m re sensorielle finit par merger comme gagnante, envoyant un signal inhibiteur fort ses voisins imm diats mais ne recevant aucun signal de ce type en retour (Figure 21 35). Si une cellule qui deviendrait normalement une cellule m re sensorielle est g n tiquement incapable de le faire, une cellule proneurale voisine, lib r e de l'inhibition lat rale, deviendra une cellule m re sensorielle la place. La cellule m re sensorielle passe par un court programme de divisions suppl mentaires pour g n rer l'ensemble de cellules qui forment le poil final. La signalisation Notch agit de mani re r p t e des tapes successives de ce programme pour conduire les descendants de la cellule m re sensorielle le long de diff rentes voies et les assigner leurs divers destins sp cialis s. Cependant, il le fait en conjonction avec des m canismes suppl mentaires qui biaisent le r sultat de la comp tition m di e par l'inhibition lat rale. D terminants qui Figure 21 34 La structure de base d'une soie m canosensorielle. La lign e des quatre cellules de la soie, toutes descendantes d'une seule cellule m re sensorielle, est repr sent e gauche. La cellule m re sensorielle, une fois sp cifi e, g n re cet ensemble de cellules par le biais d'un court programme de cycles de division. chaque g n ration de la prog niture, l'inhibition lat rale op re nouveau pour conduire les cellules nouveau-n es vers diff rents destins : l'une des prog nitures ultimes deviendra le neurone ; un autre, la tige de la soie ; d'autres, des cellules de soutien de toutes sortes. mesure que la cellule m re sensorielle et sa prog niture se divisent, certaines prot ines sont attribu es pr f rentiellement l'une de chaque paire de cellules s urs nouveau-n es, biaisant le r sultat de la comp tition d'inhibition lat rale m di e par la signalisation Notch. sont localis s de mani re
Biologie moléculaire de la cellule	asym trique l'int rieur des cellules en division ont ce r le dans le d veloppement des poils sensoriels. Ils sont galement importants dans d'autres contextes, comme nous le voyons maintenant. La diversification cellulaire ne doit pas toujours d pendre de signaux extracellulaires : dans certains cas, les cellules s urs naissent diff rentes la suite d'une division cellulaire asym trique, au cours de laquelle un ensemble significatif de mol cules est divis de mani re in gale entre elles. Cette mol cule (ou ensemble de mol cules) s gr gu e de mani re asym trique agit ensuite comme un d terminant pour l'un des destins cellulaires en modifiant directement ou indirectement le mod le d'expression g nique au sein de la cellule fille qui la re oit (voir Figure 21-12). Nous avons d j rencontr la s gr gation asym trique des mol cules dans le cadre de l'embryon pr coce de grenouille : l'ARN v g tatif est localis dans la r gion v g tale de l' uf f cond . Apr s la division cellulaire, seules les cellules filles v g tales h riteront de l'ARN VegT. Les divisions asym triques se produisent souvent au d but du d veloppement, mais elles sont galement rencontr es certains stades ult rieurs. Comme mentionn pour les poils sensoriels, ils peuvent pr parer le terrain pour un change de signaux Notch entre les cellules filles, la signalisation se produisant apr s que les cellules se sont s par es et renforce les diff rences entre elles. Dans le syst me nerveux central, les divisions asym triques jouent un r le cl dans la g n ration du tr s grand nombre de neurones et de cellules gliales n cessaires. Une classe sp ciale de cellules devient engag e en tant que pr curseurs neuraux, mais au lieu de se diff rencier directement en tant que neurones ou cellules gliales, celles-ci subissent une longue s rie de divisions asym triques travers lesquelles une succession de neurones et de cellules gliales suppl mentaires sont ajout s la population. Le processus est mieux compris chez la drosophile, bien qu'il y ait de nombreux indices que quelque chose de similaire se produit galement dans la neurogen se des vert br s. Dans le syst me nerveux central embryonnaire de la drosophile, les pr curseurs des cellules nerveuses, ou neuroblastes, sont initialement isol s de l'ectoderme neurog ne par un m canisme typique d'inhibition lat rale qui d pend de Notch. Chaque neuroblaste se divise ensuite de mani re asym trique plusieurs reprises (Figure 21-36). chaque division, une fille reste sous forme de neuroblaste, tandis que l'autre, qui est beaucoup plus Figure 21 35 Inhibition lat rale. (a) le m canisme de base de l'inhibition lat rale comp titive m di e par Notch, illustr pour seulement deux cellules en interaction. Dans ce sch ma, l'absence de couleur sur les prot ines ou les lignes effectrices indique l'inactivit . (B) le r sultat du m me processus op rant dans une plus grande parcelle de cellules. Au d but, tous les cellules du patch sont quivalentes, exprimant la fois le r cepteur transmembranaire Notch et son ligand transmembranaire Delta. Chaque cellule a tendance se sp cialiser (en tant que cellule m re sensorielle), et chacune envoie un signal inhibiteur ses voisines pour les d courager de se sp cialiser galement de cette mani re. Cela cr e une situation concurrentielle. D s qu'une cellule individuelle obtient un avantage dans la comp tition, cet avantage est amplifi . La cellule gagnante, mesure qu'elle s'engage plus fortement se diff rencier en tant que cellule m re sensorielle, inhibe galement ses voisines plus fortement. Inversement, comme ces voisines perdent leur capacit se diff rencier en tant que m res sensorielles, elles perdent galement leur capacit inhiber d'autres cellules de le faire. L'inhibition lat rale fait donc que les cellules adjacentes suivent des destins diff rents. Bien que l'on pense que l'interaction d pend normalement des contacts entre cellules, la future cellule m re sensorielle pourrait tre capable de d livrer un signal inhibiteur aux cellules qui se trouvent plus d'un diam tre de cellule, par exemple, en envoyant de longues protub rances pour les toucher. plus petite, devient sp cialis e en tant que cellule m re ganglionnaire. Chaque cellule m re ganglionnaire ne se divisera qu'une seule fois, donnant une paire de neurones, ou un neurone plus une cellule gliale, ou une paire de cellules gliales, avec des interactions m di es par Notch aidant conduire les filles sur des chemins diff rents. Le neuroblaste lui-m me devient plus petit chaque division, car il r partit sa substance en une cellule m re ganglionnaire apr s l'autre. Finalement, g n ralement apr s environ 12 cycles, le processus s'arr te, probablement parce que le neuroblaste devient trop petit pour passer le point de contr le de la taille d'une cellule dans le cycle de division cellulaire. Plus tard, chez la larve, les divisions neuroblastiques reprennent, mais elles sont maintenant accompagn es d'un
Biologie moléculaire de la cellule	e croissance cellulaire, ce qui permet au processus de se poursuivre ind finiment et de g n rer le nombre beaucoup plus important de neurones et de cellules gliales n cessaires chez la mouche adulte. Dans les sections pr c dentes, nous avons vu que les animaux contiennent les m mes types de cellules essentielles, ont une collection similaire de g nes et partagent de nombreux m canismes mol culaires de formation de motifs. Mais comment pouvons-nous concilier cela avec les diff rences radicales que nous voyons dans les structures corporelles d'animaux aussi divers qu'un ver, une mouche, une grenouille et une souris ? Nous avons affirm plus haut, d'une mani re g n rale, que ces diff rences semblent g n ralement refl ter des diff rences dans l'ADN r gulateur qui met en jeu les composants du kit de pi ces de base conserv . Nous devons maintenant examiner les preuves d'un peu plus pr s. Lorsque nous comparons des esp ces animales ayant des plans corporels de base similaires diff rents vert br s, par exemple, tels que les poissons, les oiseaux et les mammif res nous constatons que les g nes correspondants ont g n ralement des ensembles similaires d' l ments r gulateurs : les s quences d'ADN r gulatrices ont t bien conserv es et sont reconnaissables comme homologues chez les diff rents animaux. Il en va de m me si l'on compare diff rentes esp ces de n matodes, de vers ou d'insectes. Mais, lorsque nous comparons les r gions r gulatrices des vert br s avec celles des vers ou des mouches, il est difficile de voir une telle ressemblance. Les s quences codant pour les prot ines sont indubitablement similaires, mais les s quences d'ADN r gulatrices correspondantes semblent pour la plupart tr s diff rentes, ce qui sugg re que les diff rences dans les plans corporels refl tent principalement des diff rences dans l'ADN r gulateur. Bien que les variations dans les prot ines elles-m mes y contribuent galement, les diff rences dans l'ADN r gulateur seraient suffisantes pour g n rer des tissus et des structures corporelles radicalement diff rents, m me si les prot ines taient identiques. Il n'est pas encore possible de retracer les tapes g n tiques qui ont conduit toute la diversit spectaculaire des animaux. Leurs lign es ont diverg pendant des centaines de millions d'ann es, et dans la plupart des cas, trop de changements se sont produits pour que nous puissions dire que telle ou telle caract ristique r sulte de telle ou telle mutation. L'image est plus claire, cependant, pour les v nements volutifs plus r cents. Des tudes portant la fois sur des populations animales troitement apparent es et sur des populations v g tales dont les membres ont des morphologies diff rentes ont r v l que des effets spectaculaires sur le d veloppement peuvent r sulter de changements subtils dans l'ADN r gulateur. Un exemple bien tudi est la diversit morphologique des poissons pinoches. Apr s la fin de la derni re p riode glaciaire il y a environ 10 000 ans, les pinoches marines ont colonis de nombreux ruisseaux et lacs d'eau douce nouvellement form s. Les pinoches marines tendent des pines ac r es partir de leur squelette pelvien. On pense que ces pines aident prot ger le poisson des pr dateurs de poissons bouche molle. En revanche, plusieurs populations d' pinoches d'eau douce ont perdu ces pines, g n ralement dans des lacs d pourvus de tels pr dateurs. Les diff rentes morphologies refl tent des diff rences de contr le de l'expression d'un r gulateur de transcription appel Pitx1. Attendu que les pinoches marines expriment le g ne Pitx1 dans les cellules pr curseurs de l'os pelvien qui formeront les pointes, Figure 21 36 Neuroblastes et division cellulaire asym trique dans le syst me nerveux central d'un embryon de mouche. Le neuroblaste est l'origine une cellule ectodermique sp cialis e. Il est distingu par une inhibition lat rale et merge de la face basale (interne) de l'ectoderme. Il passe ensuite par des cycles de division r p t s, se divisant de mani re asym trique pour g n rer une s rie de cellules m res ganglionnaires. Chaque cellule m re ganglionnaire ne se divise qu'une seule fois pour donner une paire de filles diff renci es (g n ralement un neurone et une cellule gliale). Les pinoches d'eau douce ont perdu cette expression la suite d'un changement au locus Pitx1. Ces modifications ne r sident pas dans la s quence de codage. Au lieu de cela, chacun est une petite d l tion d'un bloc d'ADN r gulateur adjacent qui contr le l'expression de Pitx1 sp cifiquement dans les cellules pelviennes (Figure 21-37). La prot ine Pitx1 a des fonctions importantes ailleurs dans le corps, de sorte que les s quences d'ADN qui codent pour cette prot ine doivent tre conserv es. L'ADN r gulateur responsable de l'expression de Pitx1 ces autres sites est galement inchang dans les deux populations d' pinoches. L' volution du d veloppement pelvien chez les pinoches montre comment la nature modulaire des
Biologie moléculaire de la cellule	l ments r gulateurs de l'ADN que nous avons rencontr e au chapitre 7 (voir Figure 7-29) permet une modification ind pendante des diff rentes parties du corps, m me lorsque la formation de ces parties du corps d pend des m mes prot ines. Dans l' volution r cente des plantes, les changements de la structure corporelle peuvent tre retrac s de la m me mani re que les changements dans l'ADN r gulateur. Par exemple, ceux-ci expliquent une grande partie de la diff rence dramatique entre la plante sauvage de t osinte et son descendant moderne, le ma s, travers quelque 10 000 ans de mutation et de s lection par les Am rindiens. La drosophile a t le principal organisme mod le pour l' tude de la g n tique du d veloppement animal. Son mod le embryonnaire est initi par les produits de g nes d'effet maternel appel s g nes de polarit de l' uf, qui fonctionnent en tablissant des distributions gradu es de r gulateurs de transcription dans l' uf et l'embryon pr coce. Le gradient de la prot ine Bicoid le long de l'axe A-P, par exemple, aide initier l'expression ordonn e des g nes lacunaires, des g nes de r gle de paire et des g nes de polarit segmentaire. Ces trois classes de g nes de segmentation, par le biais d'une hi rarchie d'interactions, s'expriment dans certaines r gions de l'embryon et pas dans d'autres, subdivisant progressivement l'embryon le long de l'axe A-P en une s rie r guli re d'unit s modulaires r p titives appel es segments. Superpos au mod le d'expression g nique qui se r p te dans chaque segment, il existe un mod le d'expression en s rie des g nes Hox qui conf rent chaque segment une identit diff rente. Ces g nes sont regroup s en complexes et sont dispos s dans une s quence qui correspond leur s quence d'expression le long de l'axe A-P du corps. Bien que l'expression du g ne Hox soit initi e dans l'embryon, elle est ensuite maintenue par l'action des prot ines de liaison la chromatine du groupe Polycomb et Trithorax, qui marquent la chromatine du complexe Hox avec un enregistrement h r ditaire de son tat embryonnaire de r pression ou d'activation, respectivement. Les complexes Hox homologues celui de la drosophile se trouvent chez pratiquement tous les types d'animaux, o ils aident modeler l'axe A-P du corps. Des gradients de signalisation sont galement mis en place le long de l'axe dorso-ventral (D-V). Initialement, la signalisation Toll g n re un gradient nucl aire de prot ine dorsale, qui induit un gradient de signalisation extracellulaire de la prot ine Dpp de la famille TGF et de son antagoniste, Figure 21 37 La diversit morphologique des pinoches est caus e par des changements dans les l ments r gulateurs. (a D) Les pines pelviennes sont pr sentes dans les populations marines (a) mais pas dans les populations d'eau douce (c). en cons quence, Pitx1 est exprim dans la r gion pelvienne chez les poissons marins (B) mais pas chez les poissons d'eau douce (D). le manque d'expression dans le bassin La superficie des populations d'eau douce est caus e par des mutations dans un l ment amplificateur. Les autres exhausteurs et sites d'expression de Pitx1 sont les m mes chez les pinoches marines et d'eau douce. (Avec l'aimable autorisation de Michael D. Shapiro.) Sog. Cela cr e un gradient d'activit Dpp qui permet d'affiner l'attribution de diff rents caract res aux cellules situ es diff rentes positions le long de l'axe D-V. Chez le x nope, la polarit de l'ovule et le site d'entr e des spermatozo des mettent en place les axes embryonnaires. Un gradient g n r par la prot ine Nodal de la famille TGF induit diff rents destins le long de l'axe animal-v g tal, tandis que BMP et Chordin prot ines homologues Drosophila Dpp et Sog, respectivement contr lent la structuration de l'axe D-V. Cet axe est invers , de sorte que la dorsale chez la mouche correspond la ventrale chez la grenouille. Les r gulateurs de transcription contr lent la formation de types cellulaires sp cifiques. Les membres de la famille MyoD/myog nine pilotent le processus de d termination des cellules musculaires, coordonnant les nombreux composants requis, tandis que les r gulateurs de transcription Achaete/Scute contr lent le destin neuronal. D'autres g nes codant pour ces r gulateurs transcriptionnels ma tres peuvent r guler la formation d'organes entiers. L'absence d'yeux, par exemple, est la fois n cessaire et suffisante pour g n rer des structures oculaires chez la drosophile. Pour affiner le mod le anatomique l'int rieur d'un tel organe, les cellules interagissent localement, la fois par des signaux inductifs diffusibles et par des m canismes courte port e. Souvent, les cellules sont en comp tition les unes avec les autres par inhibition lat rale. Ce processus entra ne l'activation de la voie de signalisation Notch dans une cellule et l'inhibition dans ses voisines, g n rant deux types de cellules diff rents. Les divisions cellulaires asym triques, dans lesquelles les cellules
Biologie moléculaire de la cellule	filles h ritent de diff rents d terminants mol culaires de la cellule m re, offrent un moyen suppl mentaire d'organiser une diversit fine de types de cellules. Les preuves d' v nements volutifs r cents indiquent que les changements anatomiques sont principalement entra n s par des changements dans les s quences d'ADN r gulatrices qui d terminent quand et o les g nes du d veloppement sont exprim s. La fa on dont la diversit frappante des structures corporelles a volu au fil du temps reste largement inconnue, bien qu'il semble probable que des principes similaires s'appliquent. Les v nements de d veloppement se d roulent sur des minutes, des heures, des jours, des semaines, des mois ou m me des ann es, chaque organisme suivant son propre calendrier strict. Les cascades d'interactions inductives et d' v nements de r gulation transcriptionnelle d crites pr c demment prennent du temps, car les signaux sont transmis et les r gulateurs de transcription sont synth tis s, puis se lient l'ADN pour activer ou r primer leurs g nes cibles. Au d but de ce chapitre, nous avons compar le d veloppement une performance orchestrale. Il y a beaucoup d'acteurs, et chacun doit faire la bonne chose au bon moment ; Pourtant, il n'y a pas de leader ou de chef d'orchestre pour donner le tempo et coordonner le timing de tous les diff rents v nements. Chaque processus de d veloppement doit donc se produire un rythme appropri , ajust par l' volution pour s'adapter au calendrier des autres processus dans l'embryon ou dans l'environnement. Le contr le du timing est l'un des probl mes les plus importants de la biologie du d veloppement, mais aussi l'un des moins compris. Les processus de d veloppement sont complexes, mais ils sont construits partir d' tapes simples. Un premier d fi est de comprendre le calendrier de ces tapes. Combien de temps faut-il, par exemple, pour activer ou d sactiver l'expression d'un g ne ? Ce n'est pas comme lancer un interrupteur : cela implique des retards. Tout d'abord, il faut du temps pour fabriquer une mol cule d'ARNm : l'ARN polym rase doit parcourir la longueur du g ne, le transcrit d'ARN primaire doit tre piss et trait , et l'ARNm r sultant doit tre export du noyau et livr au site o il sera traduit. Cela s'ajoute ce que l'on pourrait appeler le temps de gestation de la mol cule individuelle. Deuxi mement, il faut du temps pour que les mol cules d'ARNm individuelles s'accumulent jusqu' leur concentration pleinement efficace ; comme expliqu au chapitre 15, ce temps d'accumulation est dict par la dur e de vie moyenne des mol cules : plus elles durent longtemps, plus leur concentration ultime est lev e et plus le temps n cessaire pour l'atteindre est long. Des retards similaires se produisent l' tape suivante, o l'ARNm est traduit en prot ine : la synth se de chaque mol cule prot ique individuelle implique un d lai de gestation et l'obtention d'un La concentration des mol cules prot iques implique un d lai d'accumulation qui d pend de la dur e de vie de la prot ine. Le temps n cessaire l'ensemble du processus de commutation des g nes n'est que la somme des retards de gestation et des retards d'accumulation (en gros, les dur es de vie mol culaires) pour l'ARNm et les mol cules de prot ines. De mani re quelque peu contre-intuitive, c'est la dur e combin e de ces retards, plut t que le taux de synth se mol culaire (le nombre de mol cules synth tis es par seconde), qui d termine principalement le temps de commutation. Le m me principe additif s'applique aux longues cascades de commutation de g nes, o le g ne A active le g ne B, et le g ne B active le g ne C, et ainsi de suite. Il s'applique galement dans d'autres circonstances, comme dans les voies de signalisation o une prot ine r gule directement l'activation de la suivante. Dans tous ces cas, la dur e de vie mol culaire, ainsi que les retards de gestation, jouent un r le cl dans la d termination du rythme de d veloppement. La dur e de vie des mol cules d'ARNm et de prot ines est extr mement variable, de quelques minutes ou heures quelques jours ou plus, ce qui explique une grande partie de la variation que nous observons dans le rythme des v nements de d veloppement. Les retards de commutation g n tique, cependant, ne sont pas l'alpha et l'om ga du calendrier de d veloppement. Le d veloppement implique de nombreux autres types de retards qui contribuent au timing. La structure de la chromatine prend du temps se remodeler. Les signaux inductifs mettent du temps se diffuser dans un champ de cellules (voir Figure 21 9). Les cellules mettent du temps se d placer et se r organiser dans l'espace. N anmoins, le moment de l' change de g nes joue un r le fondamental dans le calendrier du d veloppement, comme l'illustre de mani re particuli rement claire et frappante un oscillateur d'expression g nique qui contr le la segmentation de l'axe du corps des vert br s, comme nous l'expliquons maintenant. un oscilla
Biologie moléculaire de la cellule	teur d'expression g nique agit comme une horloge pour contr ler la segmentation des vert br s L'axe principal du corps de tous les vert br s a une structure r p titive et p riodique, observ e dans la s rie de vert bres, de c tes et de muscles segmentaires du cou, du tronc et de la queue. Ces structures segmentaires proviennent du m soderme qui se pr sente sous la forme d'une longue plaque de chaque c t de la ligne m diane embryonnaire. Cette dalle se divise en une s rie r p titive r guli re de blocs s par s, ou somites, des groupes de cellules coh sifs, s par s par des fentes (figures 21 38A). Les somites se forment (en paires bilat rales) l'une apr s l'autre, un rythme r gulier, en commen ant dans la r gion de la t te et en terminant par la queue. Selon les esp ces, le nombre final de somites varie de moins de 40 (chez une grenouille ou un poisson z bre) plus de 300 (chez un serpent). La partie post rieure, la plus immature de la plaque m sodermique, appel e m soderme pr somitique, fournit les cellules n cessaires : au fur et mesure que les cellules prolif rent, ce m soderme du cycle d'oscillation de la queue du cycle d'oscillation recule mesure que de nouveaux somites se forment Figure 21 38 Formation du somite dans l'embryon de poussin. a) un embryon de poussin 40 heures d'incubation. (B) comment l'oscillation temporelle de l'expression g nique dans le m soderme pr somitique se convertit en un mod le spatial alternatif d'expression g nique dans les somites form s. Dans la partie post rieure du m soderme pr somitique, chaque cellule oscille avec un temps de cycle de 90 minutes. Au fur et mesure que les cellules m rissent et mergent de la r gion pr somitique, leur oscillation est progressivement ralentie et finalement arr t e, les laissant dans un tat qui d pend de la phase du cycle dans laquelle elles se trouvent au moment critique. De cette fa on, une oscillation temporelle de l'expression des g nes trace un motif spatial alternatif. (a, de Y.J. Jiang, L. Smithers et J. Lewis, Curr. Biol. 8 :r868 r871, 1998. Avec l'autorisation d'elsevier.) se retire vers la queue, prolongeant l'embryon (figures 21 38B). Ce faisant, il d pose une tra n e de somites form es de cellules qui se regroupent en blocs lorsqu'elles mergent de l'extr mit ant rieure de la r gion pr somitique. Le caract re sp cial du m soderme pr somitique est maintenu par une combinaison de facteurs de croissance des fibroblastes (FGF) et de signaux Wnt, produits par un centre de signalisation l'extr mit arri re de l'embryon, et la gamme de ces signaux semble d finir la longueur du m soderme pr somitique. Les somites mergent avec un timing d'horloge, mais qu'est-ce qui d termine le rythme du processus ? Dans la partie post rieure du m soderme pr somitique, l'expression de certains g nes oscille dans le temps. Des instantan s de l'expression des g nes pris par des embryons fix s pour analyse diff rents moments du cycle d'oscillation r v lent ce qui se passe, et les oscillations peuvent maintenant galement tre observ es dans des films en acc l r d'embryons contenant des rapporteurs fluorescents de g nes oscillants individuels. Une nouvelle paire de somites se forme chaque cycle d'oscillation et, chez les mutants o les oscillations ne se produisent pas, la segmentation des somites est perturb e : les cellules peuvent encore se briser, tardivement, en grappes distinctes, mais elles le font de mani re al atoire et irr guli re. L'oscillateur d'expression g nique contr lant la segmentation r guli re est appel horloge de segmentation. La dur e d'un cycle complet d'oscillation d pend de l'esp ce : elle est de 30 minutes chez un poisson z bre, de 90 minutes chez un poussin et de 120 minutes chez une souris. Lorsque les cellules mergent du m soderme pr somitique pour former des somites, c'est- -dire lorsqu'elles chappent l'influence des signaux FGF et Wnt, leur oscillation s'arr te. Certains s'arr tent dans un tat, d'autres dans un autre, selon la phase du cycle d'oscillation au moment o ils quittent la r gion pr somitique. De cette fa on, l'oscillation temporelle de l'expression g nique dans le m soderme pr somitique laisse sa trace dans un mod le spatialement p riodique d'expression g nique dans le m soderme en maturation ; cela dicte son tour comment le tissu se d composera en blocs physiquement s par s, ce qui aura des effets sur le mod le d'adh sion cellule-cellule (voir Figure 21-38B). Comment fonctionne l'horloge de segmentation ? Les premiers g nes de l'oscillateur somite avoir t d couverts taient les g nes Hes, qui sont des composants cl s de la voie de signalisation Notch. Ils sont directement r gul s par la forme activ e de Notch, et ils codent pour des r gulateurs de transcription inhibiteurs qui inhibent l'expression d'autres g nes, y compris Delta. En plus de r guler d'autres g nes, les produits des g nes Hes peuvent r guler directement leur propre expression, cr ant une boucle de r troacti
Biologie moléculaire de la cellule	on n gative remarquablement simple. L'autor gulation de certains g nes Hes sp cifiques (selon les esp ces) est consid r e comme le g n rateur de base des oscillations de l'horloge somite. Bien que la machinerie ait t modifi e de diverses mani res chez diff rentes esp ces, le principe sous-jacent semble tre conserv . Lorsque le g ne cl Hes est transcrit, la quantit de produit prot ique Hes s'accumule jusqu' ce qu'elle soit suffisante pour bloquer la transcription du g ne Hes ; la synth se de la prot ine cesse ; la prot ine se d sint gre ensuite, ce qui permet la transcription de recommencer ; et ainsi de suite, de mani re cyclique (figures 21 39). La p riode d'oscillation, qui d termine la taille de chaque somite, d pend du retard dans la boucle de r troaction. Cela quivaut la somme des retards de gestation et des retards d'accumulation (c'est- -dire les dur es de vie mol culaires) de l'ARNm Hes et des mol cules prot iques, selon le principe additif discut pr c demment. La mod lisation math matique (voir chapitre 8) nous permet de relier ces param tres mol culaires de base au temps de cycle de l'horloge de segmentation : en premi re approximation, la p riode de cycle est simplement gale deux fois le retard total dans la boucle de r troaction n gative, et donc deux fois la somme des retards se produisant chaque tape de la boucle. La boucle de r troaction que nous venons de d crire est intracellulaire, et chaque cellule du m soderme pr somitique peut g n rer des oscillations par elle-m me. Mais ces oscillations au niveau de la cellule unique sont quelque peu erratiques et impr cises, refl tant la nature fondamentalement bruyante et stochastique du contr le de l'expression des g nes, comme nous l'avons vu au chapitre 7. Un m canisme est n cessaire pour maintenir toutes les cellules du m soderme pr somitique qui formeront un somite particulier oscillant en synchronie. Ceci est r alis par la communication cellule-cellule via la voie de signalisation Notch, laquelle les g nes Hes sont coupl s. Le circuit de r gulation des g nes est tel que, dans ce contexte, la signalisation Notch n'entra ne pas la diff rence entre les cellules voisines, comme dans l'inhibition lat rale, mais fait tout le contraire : elle les maintient l'unisson. Chez les mutants o la signalisation Notch Figure 21 39 R troaction n gative retard e donnant lieu une expression g nique oscillante. (a) Un seul g ne, codant pour un r gulateur de transcription qui inhibe sa propre expression, peut se comporter comme un oscillateur. Pour qu'une oscillation se produise, il doit y avoir un retard (ou plusieurs retards) dans le circuit de r troaction, et les dur es de vie de l'ARNm et de la prot ine (qui contribuent au retard) doivent tre courtes par rapport au retard total. Le retard total d termine la p riode d'oscillation. On pense qu'un circuit de r troaction comme celui-ci, bas sur une paire de g nes action redondante appel s Her1 et Her7 chez le poisson-z bre ou leur homologue, Hes7, chez la souris est le stimulateur cardiaque de l'horloge de segmentation r gissant la formation du somite. (B) le l'oscillation pr dite de l'ARNm et de la prot ine Her1 et Her7, calcul e l'aide d'estimations approximatives des param tres du circuit de r troaction appropri s ce g ne chez le poisson z bre. Les concentrations sont mesur es en nombre de mol cules par cellule. La p riode pr dite est proche de la p riode observ e, qui est de 30 minutes par somite chez le poisson z bre (en fonction de la temp rature). choue, y compris les mutants d fectueux dans Delta ou Notch lui-m me, les cellules d rivent hors de la synchronie et la segmentation somite est nouveau perturb e. Cela conduit une d formation grossi re de la colonne vert brale une d monstration extraordinaire des cons quences du contr le temporel bruyant de l'expression des g nes au niveau de la cellule unique, dans son ensemble de la structure du corps du vert br . Les programmes de d veloppement intracellulaire peuvent aider d terminer l' volution temporelle du d veloppement d'une cellule Bien que la signalisation entre les cellules joue un r le essentiel dans la progression du d veloppement, cela ne signifie pas que les cellules ont toujours besoin de signaux d'autres cellules pour les inciter changer de caract re au fur et mesure du d veloppement. Certains de ces changements sont intrins ques la cellule (comme le tic-tac de l'horloge de segmentation) et d pendent de programmes de d veloppement intracellulaires qui peuvent fonctionner m me lorsque la cellule est retir e de son environnement normal. L'exemple le mieux compris est le d veloppement de cellules pr curseurs neurales, ou neuroblastes, dans le syst me nerveux central embryonnaire de la drosophile. Ces cellules, comme nous l'avons vu, sont initialement isol es de l'ectoderme neurog ne de l'embryon par un m canisme typique d'inhibition lat rale qui d pend de Notch, puis elles proc dent trave
Biologie moléculaire de la cellule	rs une s rie enti rement pr visible de divisions cellulaires asym triques pour g n rer des cellules m res ganglionnaires qui se divisent pour former des neurones et des cellules gliales (voir Figure 21-36). Le neuroblaste change d' tat interne au fur et mesure qu'il passe par son programme de divisions, g n rant diff rents types de cellules avec une s quence et un timing reproductibles. Ces changements successifs dans la sp cification des neuroblastes se produisent par l'expression s quentielle de r gulateurs de transcription sp cifiques. Par exemple, la plupart des neuroblastes embryonnaires expriment s quentiellement les r gulateurs de transcription Hunchback, Kr ppel, Pdm et Cas dans un ordre fixe (Figure 21 40). Lorsqu'un neuroblaste se divise, l'ensemble des r gulateurs de transcription exprim s ce moment-l est h rit par la cellule m re ganglionnaire et sa descendance neurale ; Ainsi, les cellules neurales diff renci es sont dot es de caract res diff rents selon leur heure de naissance. Remarquablement, lorsque des neuroblastes sont pr lev s sur un embryon et maintenus en culture, isol s de leur environnement normal, ils passent par le m me programme de d veloppement st r otyp que s'ils avaient t laiss s dans l'embryon. De plus, de nombreuses transitions neuroblastiques se produisent m me lorsque la division cellulaire est bloqu e. Les neuroblastes semblent avoir une minuterie int gr e qui d termine quand chacun des r gulateurs de transcription est exprim , et cette minuterie peut continuer fonctionner en l'absence de division cellulaire. La base mol culaire du calendrier est largement inconnue ; En partie, du moins, cela doit d pendre du temps n cessaire l' change de g nes, comme d crit ci-dessus ; Mais il se peut aussi qu'il d pende de changements lents et progressifs de la structure de la chromatine. Ceux-ci peuvent galement servir mesurer le passage du temps dans l'embryon. Figure 21 40 Structuration temporelle du destin des neuroblastes chez la drosophile. hunchback, Kr ppel, pdm et cas sont des r gulateurs de transcription qui s'expriment cons cutivement dans la lign e cellulaire des neuroblastes au cours du d veloppement du syst me nerveux de la drosophile. des pas de temps successifs, corr l s la division cellulaire, le neuroblaste change son mod le d'expression g nique. Chaque division neuroblastique produit une fille qui reste un neuroblaste et exprime l'ensemble mis jour de g nes, et une cellule m re ganglionnaire qui maintient l'expression de cet ensemble de g nes et se diff rencie en types de cellules sp cifiques en cons quence. (d'apr s B.J. Pearson et C.Q. Doe, Nature 425:624-628, 2003.Avec la permission des diteurs Macmillan.) cellules comptent rarement les divisions cellulaires pour chronom trer leur d veloppement De nombreuses cellules sp cialis es chez les animaux se d veloppent partir de cellules prog nitrices prolif rantes qui cessent de se diviser et se diff rencient finalement apr s un nombre limit de divisions cellulaires. Dans ces cas, la diff renciation est coordonn e avec le retrait du cycle cellulaire, mais on ne sait g n ralement pas comment la coordination est r alis e. Il a souvent t sugg r que le cycle de division cellulaire pourrait servir de minuterie intracellulaire pour contr ler le moment de la diff renciation cellulaire. Le cycle cellulaire serait le tic-tac de l'horloge qui d termine le tempo d'autres processus de d veloppement, les changements de maturation dans l'expression des g nes d pendant de la progression du cycle cellulaire. La plupart des preuves, cependant, indiquent que cette id e tentante est fausse. Bien qu'il existe des exemples o les cellules changent d' tat de maturation chaque division et que le changement d pend de la division cellulaire, ce n'est pas la r gle g n rale. Comme nous venons de le voir pour les neuroblastes de l'embryon de drosophile, les cellules des animaux en d veloppement poursuivent souvent leur calendrier normal de maturation et de diff renciation, m me lorsque la division cellulaire est bloqu e artificiellement ; N cessairement, certaines anomalies se produisent, ne serait-ce que parce qu'une seule cellule non divis e ne peut pas se diff rencier de deux mani res la fois. Mais il semble que la plupart des cellules en d veloppement puissent changer d' tat sans qu'il soit n cessaire de les diviser. Les g nes de contr le du d veloppement peuvent activer ou d sactiver la machinerie du cycle de division cellulaire, et c'est la dynamique de ces g nes, plut t que le cycle cellulaire, qui d termine le rythme du d veloppement. Les criblages g n tiques sont utiles pour traquer les g nes impliqu s dans presque tous les processus biologiques, et ils ont t utilis s pour rechercher des mutations qui modifient le calendrier du d veloppement. De tels d pistages ont t effectu s chez le n matode Caenorhabditis elegans (Figure 21 41). Ce ver est petit, relativement simple et structur avec pr cision. L
Biologie moléculaire de la cellule	'anatomie de son d veloppement est hautement pr visible et a t d crite avec des d tails extraordinaires, de sorte que l'on peut cartographier la lign e exacte de chaque cellule du corps et voir exactement comment le programme de d veloppement est modifi chez un mutant. Les criblages g n tiques chez C. elegans ont r v l des mutations qui perturbent le calendrier de d veloppement d'une mani re particuli rement frappante : chez ces mutants dits h t rochroniques, certaines cellules d'une larve un stade de d veloppement se comportent comme si elles taient dans une larve un stade de d veloppement diff rent, ou les cellules de l'adulte continuent se diviser comme si elles appartenaient une larve (Figure 21-42). Les analyses g n tiques ont montr que les produits des g nes h t rochroniques agissent en s rie, formant des cascades r gulatrices. De mani re inattendue, deux g nes au sommet de leurs cascades respectives, appel s Lin4 et Let7, ont t trouv s codant non pas pour des prot ines, mais plut t pour des microARN (miARN) des mol cules d'ARN r gulatrices courtes, non traduites, longues de 21 ou 22 nucl otides. Ceux-ci agissent en se liant des s quences compl mentaires dans les r gions non codantes de mol cules d'ARNm transcrites partir d'autres g nes h t rochroniques, r primant ainsi leur traduction et favorisant leur d gradation, comme nous l'avons vu au chapitre 7. L'augmentation des niveaux de miARN Lin4 r git la progression des comportements des cellules larvaires de premier stade aux comportements des cellules larvaires de troisi me stade. 1,2 mmFigure 21 41 Caenorhabditis elegans. Une vue lat rale d'un hermaphrodite adulte est montr e. (D'apr s J.e. Sulston et h.r. horvitz, Dev. Biol. 56:110-156, 1977. Avec l'autorisation de la presse universitaire.) Figure 21 42 Mutations h t rochroniques dans le g ne Lin14 de C. elegans. Seuls les effets sur l'une des nombreuses lign es modifi es sont montr s. une mutation de perte de fonction (r cessive) de Lin14 provoque l'apparition pr matur e du mod le de division cellulaire et de diff renciation caract ristique d'une larve tardive, de sorte que l'animal atteint son tat final pr matur ment et avec un nombre anormalement petit de cellules. La mutation dominante (gain de fonction) a l'effet inverse, amenant les cellules r p ter des sch mas de divisions cellulaires caract ristiques du premier stade larvaire, se poursuivant travers jusqu' cinq ou six cycles de mue. La croix d note une mort cellulaire programm e. Les lignes vertes repr sentent les cellules qui contiennent la prot ine Lin14 (qui se lie l'ADN a), les lignes rouges celles qui n'en contiennent pas. (adapt de V. ambros et h.r. horvitz, Science 226:409 416, 1984. Avec l'autorisation des auteurs ; et p. arasu, B. Wightman et G. ruvkun, Genes Dev. 5:1825 1833, 1991. Avec la permission des auteurs.) L'augmentation des niveaux de miARN Let7 r git la progression de la larve tardive l'adulte. En fait, Lin4 et Let7 taient les premiers miARN avoir t d crits chez un animal : c'est gr ce des tudes g n tiques d veloppementales chez C. elegans que l'importance de toute cette classe de mol cules pour la r gulation des g nes chez les animaux a t d couverte. Plus g n ralement, chez de nombreux animaux, les miARN aident r guler les transitions entre les diff rents stades de d veloppement. Par exemple, chez les mouches, les poissons et les grenouilles, les ARNm maternels qui sont charg s dans l' uf de la m re sont limin s au cours du d veloppement pr coce lorsque le g nome de l'embryon commence tre transcrit ; ce stade, l'embryon commence exprimer des miARN sp cifiques qui ciblent de nombreux ARNm maternels pour la r pression et la d gradation traductionnelles. Ainsi, les miARN peuvent aiguiser les transitions de d veloppement en bloquant et en supprimant les ARNm qui d finissent un stade de d veloppement plus pr coce. Mais comment le moment de l'expression des miARN est-il lui-m me contr l ? Dans le cas des miARN qui d sactivent les ARNm maternels chez les grenouilles et les poissons, l'expression est activ e la fin de la s rie de divisions rapides et synchrones qui clivent l' uf f cond en de nombreuses cellules plus petites. Au fur et mesure que le taux de division de ces blastom res ralentit, la transcription g n ralis e du g nome de l'embryon commence (Figure 21 43). Cet v nement, o le propre g nome de l'embryon prend en grande partie le contr le du d veloppement des macromol cules maternelles, s'appelle la transition m re-zygotique (MZT), et il se produit avec un calendrier peu pr s similaire chez la plupart des esp ces animales, l'exception des mammif res. L'un des d clencheurs du MZT semble tre le rapport nucl aire/cytoplasmique. Pendant le clivage, la quantit totale de cytoplasme dans l'embryon reste constante, mais le nombre de noyaux cellulaires augmente de fa on exponentielle. Lorsqu'un seuil critique est atteint dans le rapport cytoplasme/ADN,
Biologie moléculaire de la cellule	les cycles cellulaires s'allongent et la transcription est initi e. Ainsi, les embryons haplo des subissent le MZT un cycle cellulaire plus tard que les embryons diplo des, qui contiennent deux fois plus d'ADN par cellule. Selon l'un des Figure 21 43 La transition m re-zygotique chez un embryon de poisson-z bre. Les ARNm maternels sont d pos s par la m re dans l' uf et favorisent le d veloppement pr coce. ces MRNm sont d grad s au cours des diff rents stades de l'embryogen se, y compris les stades blastula et gastrula, mais un changement relativement brutal se produit lors de la transition m re-zygotique (MZt). Avant cela, le g nome embryonnaire (zygotique) est transcriptionnellement inactif ; Par la suite, le rapport nucl aire/cytoplasmique pourrait tre mesur par le titrage d'un r presseur de transcription contre la quantit croissante d'ADN nucl aire. La quantit totale de r presseur resterait constante pendant les divisions de clivage, mais la quantit de r presseur par g nome diminuerait, diminuant de moiti chaque cycle de synth se de l'ADN, jusqu' ce que la perte de r pression permette au g nome zygotique de devenir transcriptionnellement actif. Les transcrits nouvellement synth tis s comprennent les miARN qui reconnaissent de nombreux transcrits d pos s dans l' uf par la m re, dirigeant leur r pression translationnelle et leur d gradation rapide. Les signaux hormonaux coordonnent le moment des transitions d veloppementales Jusqu' pr sent, nous avons mis l'accent sur les m canismes de synchronisation qui op rent localement et s par ment dans les diff rentes parties de l'embryon, ou dans des sous-syst mes sp cifiques de la machinerie de contr le mol culaire. L' volution a r gl chacun de ces processus largement ind pendants pour qu'il se d roule un rythme appropri , adapt aux besoins de l'organisme dans son ensemble. Pour certaines raisons, cependant, cela ne suffit pas : un signal de coordination mondial est n cessaire. Cela est particuli rement vrai lorsque des changements doivent se produire dans tout le corps en r ponse un signal qui d pend de l'environnement. Par exemple, lorsqu'un insecte ou un amphibien subit une m tamorphose, c'est- -dire le passage de la larve l'adulte, presque toutes les parties du corps sont transform es. Le moment de la m tamorphose d pend de facteurs externes tels que l'apport de nourriture, qui d termine quand l'animal atteint une taille appropri e. Tous les changements corporels doivent tre d clench s ensemble au bon moment, m me s'ils se produisent dans des sites tr s loign s les uns des autres. Dans de tels cas, la coordination est assur e par les hormones, des mol cules de signal qui se propagent dans tout le corps. La m tamorphose des amphibiens en fournit un exemple spectaculaire. Au cours de cette transition d veloppementale, Les amphibiens passent d'une vie aquatique une vie terrestre. Les organes sp cifiques aux larves, tels que les branchies et la queue, disparaissent, et les organes sp cifiques aux adultes, tels que les pattes, se forment. Cette transformation spectaculaire est d clench e par l'hormone thyro dienne, produite dans la glande thyro de. Si la glande est enlev e ou si l'action des hormones thyro diennes est bloqu e, la m tamorphose ne se produit pas, bien que la croissance se poursuive, produisant un t tard g ant. l'inverse, une dose d'hormone thyro dienne administr e un t tard par un exp rimentateur peut d clencher pr matur ment une m tamorphose. L'hormone thyro dienne est distribu e par le syst me vasculaire et induit des changements dans tout l'animal en se liant aux r cepteurs intracellulaires des hormones nucl aires, qui r gulent des centaines de g nes. Cela ne signifie pas, cependant, que les tissus cibles r agissent tous de la m me mani re l'hormone : les organes diff rent non seulement par leurs niveaux de r cepteurs des hormones thyro diennes et les niveaux de prot ines extracellulaires qui r gulent localement la quantit d'hormone active, mais aussi par les ensembles de g nes qui r pondent. L'hormone thyro dienne induit la croissance des muscles des membres et la mort des muscles de la queue. Le moment des r ponses diff re galement : par exemple, les pattes se forment t t en r ponse une tr s faible concentration d'hormone circulante, mais il faut un niveau lev de l'hormone pour induire la r sorption de la queue. Une pouss e d'hormones thyro diennes d clenche la m tamorphose, mais comment le moment de la pouss e est-il contr l ? L'un des m canismes d pend du couplage de la synth se hormonale la taille de la glande thyro de, qui refl te la taille du t tard. Ce n'est que lorsque la glande atteint une certaine taille qu'elle produit suffisamment d'hormones thyro diennes pour initier la m tamorphose. Cependant, d'autres signaux environnementaux que la nutrition jouent galement un r le : des conditions telles que la temp rature et la lumi re sont d tect es par le syst me nerveux, qui r gule la s cr tion d'

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