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Biologie moléculaire de la cellule	un autre niveau d'hormones (neurohormones) qui stimulent la s cr tion d'hormones thyro diennes. Ainsi, les facteurs intrins ques aux t tards tels que la taille se combinent avec les facteurs environnementaux pour d terminer le moment o la m tamorphose commence. D terminez le moment de la floraison Un autre exemple frappant de calendrier de d veloppement contr l par l'environnement est la floraison des plantes. La floraison implique une transformation du comportement des cellules au sommet de croissance de la pousse de la plante - le m rist me apical. Au cours de la croissance v g tative ordinaire, ces cellules se comportent comme des cellules souches, g n rant une succession r guli re de nouvelles feuilles et de nouveaux segments de tige. Lors de la floraison, les cellules du m rist me se transforment en composants d'une fleur, avec ses s pales et ses p tales, ses tamines porteuses de pollen et son ovaire contenant les gam tes femelles. Pour planifier correctement le changement, l'installation doit tenir compte des conditions pass es et pr sentes. Un indice important, pour de nombreuses plantes, est la dur e du jour. Pour le d tecter, la plante utilise son horloge circadienne un rythme endog ne de 24 heures d'expression g nique pour g n rer un signal de floraison uniquement lorsqu'il y a de la lumi re pour le moment appropri de la journ e. L'horloge elle-m me est influenc e par la lumi re, et la plante utilise en effet l'horloge pour comparer les conditions d' clairage pass es et pr sentes. Des parties importantes des circuits g n tiques sous-jacents ces ph nom nes ont t identifi es, y compris les phytochromes et les cryptochromes qui agissent comme des r cepteurs de lumi re (discut s au chapitre 15). Le signal de floraison qui est transport des feuilles aux cellules souches via le syst me vasculaire d pend du produit du locus de floraison T (Ft). Mais ce signal ne d clenchera la floraison que si la plante est dans un tat r ceptif apr s une exposition pr alable au froid long terme. De nombreuses plantes ont besoin de l'hiver avant de fleurir, un processus appel vernalisation. Le froid sur une p riode de quelques semaines ou mois r duit progressivement le niveau d'expression d'un g ne remarquable appel locus de floraison C (Flc). Flc code pour un r presseur transcriptionnel qui supprime l'expression du promoteur de floraison Ft. Comment la vernalisation arr te-t-elle le Flc de mani re soulever le bloc la floraison ? L'effet implique un ARN non codant appel Coolair qui chevauche le g ne Flc et est produit lorsque la temp rature est basse (Figure 21 44). Avec des modificateurs de la chromatine induits par le froid, y compris les prot ines du groupe Polycomb, Coolair coordonne la commutation de la chromatine Flc un tat silencieux (discut dans les chapitres 4 et 7). Le degr de Le silence d pend de la dur e de l'exposition au froid, ce qui permet aux plantes de distinguer les nuits froides de l'ensemble de l'hiver. L'effet sur la chromatine est durable, persistant travers de nombreux cycles de division cellulaire, m me lorsque le temps se r chauffe. Ainsi, la vernalisation cr e un bloc persistant dans la production de Flc, permettant au signal Ft d' tre g n r lorsque la dur e du jour est suffisamment longue. Figure 21 44 Contr le temporel de la floraison chez Arabidopsis. le g ne Flc est actif et bloque la floraison lorsque les plantes ont t cultiv es sans exposition aux temp ratures hivernales. l'exposition une p riode prolong e de froid entra ne la production de l'ARNr non codant Coolair, qui chevauche le g ne Flc. coolair induit des changements de chromatine long terme qui d sactivent Flc. Ces changements persistent apr s la fin de la p riode froide et permettent la plante de fleurir lorsque d'autres conditions environnementales sont favorables la floraison. Les mutations affectant la r gulation de l'expression de la Flc modifient le moment de la floraison et donc la capacit d'une plante s' panouir dans un climat donn . L'ensemble du syst me de contr le r gissant le passage la floraison est donc d'une importance vitale pour l'agriculture, surtout l' re du changement climatique rapide. L'exemple de la vernalisation sugg re un point g n ral sur le r le de la modification de la chromatine dans le calendrier de d veloppement. La plante utilise les changements de chromatine pour enregistrer son exp rience du froid prolong . Il se peut que dans d'autres organismes, animaux comme plantes, les changements lents et progressifs de la structure de la chromatine fournissent des minuteries long terme pour ces myst rieux processus de d veloppement qui se d roulent lentement, sur une p riode de jours, de semaines, de mois ou d'ann es. De telles minuteries de chromatine sont peut- tre parmi les horloges les plus importantes de l'embryon, mais nous en savons encore tr s peu. Le moment du d veloppement est contr l plusieurs niveaux. Il faut du temps pour activer ou
Biologie moléculaire de la cellule	d sactiver un g ne, et ce d lai d pend de la dur e de vie des mol cules impliqu es, qui peut varier consid rablement. Les cascades de r gulation des g nes impliquent des cascades de retards. Les boucles de r troaction peuvent donner lieu des oscillations temporelles dans l'expression des g nes, et celles-ci peuvent servir g n rer des structures spatialement p riodiques. Au cours de la segmentation des vert br s, par exemple, l'expression des g nes Hes oscille et une nouvelle paire de somites se forme au cours de chaque cycle d'oscillation. Les g nes Hes codent pour des prot ines r pressives de transcription qui peuvent agir sur l'expression des g nes Hes eux-m mes. Cette r troaction n gative g n re des oscillations avec une p riode qui refl te le retard dans la boucle de commutation des g nes autor gulateurs. La p riode d'oscillation de cette horloge de segmentation contr le la taille des somites. La signalisation Notch entre cellules voisines synchronise leurs oscillations : lorsque la signalisation Notch choue, les cellules se d synchronisent cause du bruit g n tique dans leurs horloges individuelles, et l'organisation segmentaire de la colonne vert brale est perturb e. Le moment ne d pend pas toujours des interactions entre les cellules ; De nombreuses cellules animales en d veloppement ont des programmes de d veloppement intrins ques qui se d roulent m me dans des cellules isol es en culture. Les neuroblastes des embryons de drosophile, par exemple, passent par des programmes d finis de divisions asym triques, g n rant diff rents types de cellules neurales chaque division avec une s quence et un moment pr visibles, par une cascade d' v nements de commutation de g nes. Des tudes chez les vert br s et les invert br s montrent que de tels programmes sont rarement r gis par le moment de la division cellulaire et peuvent se d rouler m me lorsque la division cellulaire est bloqu e. Les microARN produits des moments critiques aiguisent les transitions de d veloppement en bloquant la traduction et en favorisant la d gradation d'ensembles sp cifiques d'ARNm. La coordination globale du calendrier de d veloppement est r alis e par les hormones : au fur et mesure qu'un t tard grandit, par exemple, les niveaux d'hormones thyro diennes augmentent et d clenchent sa m tamorphose en grenouille. Le contr le environnemental du calendrier de d veloppement est particuli rement frappant chez les plantes et r v le la pr sence de minuteries mol culaires qui agissent long terme. Dans la vernalisation, par exemple, un froid prolong induit des changements de chromatine qui tracent le passage de l'hiver de mani re ne permettre la floraison qu'au printemps. Les changements lents et progressifs de la structure de la chromatine sont susceptibles d' tre des chronom tres importants dans la programmation long terme du d veloppement chez les animaux galement. La sp cialisation des cellules en types distincts des moments pr cis est importante, mais ce n'est qu'un aspect du d veloppement animal. Tout aussi importants sont les mouvements et les d formations que subissent les cellules pour s'assembler en tissus et en organes de formes et de tailles sp cifiques. l'instar du calendrier du d veloppement, ce processus de morphogen se ( g n ration de forme ) est moins bien compris que les processus d'expression diff rentielle des g nes et de signalisation inductive qui conduisent la sp cialisation du type cellulaire. Les mouvements cellulaires peuvent tre facilement d crits, mais les m canismes mol culaires sous-jacents qui coordonnent les mouvements sont beaucoup plus difficiles d chiffrer. Dans le chapitre 19, nous avons vu comment les cellules s'unissent pour former des feuillets pith liaux ou s'entourent de matrice extracellulaire pour cr er des tissus conjonctifs. Nous avons galement discut de la fa on dont les caract ristiques de base des tissus, telles que la polarit des pith liums, d coulent des propri t s des cellules individuelles. Dans cette section, nous examinons comment les r arrangements des cellules au cours du d veloppement animal donnent forme l'embryon et tous les organes et appendices individuels du corps. Un petit nombre de processus cellulaires sont la base de la morphogen se. Les cellules individuelles peuvent migrer travers l'embryon selon des voies d finies. Ils peuvent ramper les uns sur les autres de mani re coordonn e pour allonger, resserrer ou paissir un tissu. Ils peuvent se s parer de leurs voisins et former des groupes physiquement s par s. Ils peuvent changer de forme de mani re d former une feuille pith liale en un tube ou une v sicule. En s' tirant tout en s'accrochant leurs compagnons, des ensembles sp cialis s de cellules peuvent former des r seaux tubulaires en croissance tels que le syst me des vaisseaux sanguins ou lymphatiques. Les migrations de masse, comme c'est le cas dans la gastrulation, peuvent transformer toute la topologie de l'embryon.
Biologie moléculaire de la cellule	la base de tous ces processus se trouvent des changements dans la forme des cellules et des changements dans les contacts cellulaires, soit avec d'autres cellules, soit avec la matrice extracellulaire. Nous commen ons par consid rer la migration des cellules individuelles. La migration cellulaire est guid e par des signaux dans l'environnement de la cellule Le lieu de naissance des cellules est souvent loin de leur emplacement final dans le corps. Nos muscles squelettiques, par exemple, d rivent de pr curseurs de cellules musculaires, ou myoblastes, dans les somites, partir desquels ils migrent vers les membres et d'autres r gions. Les itin raires que suivent les cellules migratrices et la s lection des sites qu'elles colonisent d terminent le mod le final des muscles du corps. Les tissus conjonctifs embryonnaires forment le cadre travers lequel les myoblastes se d placent, et ces tissus fournissent les signaux qui guident la distribution des myoblastes. Peu importe de quel somite ils proviennent, les myoblastes qui migrent dans un bourgeon de membre ant rieur formeront le motif de muscles appropri un membre ant rieur, et ceux qui migrent dans un bourgeon de membre post rieur formeront le motif appropri un membre post rieur. C'est le tissu conjonctif qui fournit les informations de motifs. Au fur et mesure qu'une cellule migrante se d place travers les tissus embryonnaires, elle tend plusieurs reprises des projections de surface qui sondent son environnement imm diat, testant des signaux auxquels elle est particuli rement sensible en raison de son assortiment sp cifique de prot ines r ceptrices de surface cellulaire. l'int rieur de la cellule, ces r cepteurs sont connect s au cytosquelette cortical d'actine et de myosine, qui fait avancer la cellule. Certaines mol cules de la matrice extracellulaire, telles que la prot ine fibronectine, fournissent des sites adh sifs qui aident la cellule avancer ; D'autres, comme le prot oglycane de sulfate de chondro tine, inhibent la locomotion et repoussent l'immigration. Les cellules non migratrices le long de la voie de migration peuvent galement avoir des macromol cules invitantes ou r pulsives leur surface ; Certains peuvent m me tendre les filopodes pour faire conna tre leur pr sence. Parmi les nombreuses influences directrices, quelques-unes se d marquent comme tant particuli rement importantes. En particulier, de nombreux types de cellules migratrices sont guid s par une chimiotaxie qui d pend d'un r cepteur coupl aux prot ines G (appel CXCR4), qui est activ par un ligand extracellulaire appel CXCL12. Les cellules exprimant ce r cepteur peuvent se frayer un chemin le long de pistes balis es par CXCL12 (Figure 21 45). La chimiotaxie vers les sources de CXCL12 joue un r le majeur dans le guidage des migrations des lymphocytes Figure 21 45 CXCL12 guide les cellules germinales en migration. Les cellules germinales du poisson-z bre migrent vers des domaines qui expriment cXcL12. mesure que les sites d'expression de cXcL12 changent, les cellules suivent la piste de cXcL12 et sont guid es vers la r gion o la gonade se d veloppe un stade ult rieur de d veloppement. (a) au stade 4-somite, les cellules germinales se d placent d'une position proche de la ligne m diane vers des r gions plus lat rales o cXcL12 est exprim . (B) mesure que l'expression de cXcL12 se r tracte, les cellules germinales sont guid es vers des positions plus post rieures. source de CXCL12 et de divers autres globules blancs ; des neurones dans le cerveau en d veloppement ; des myoblastes p n trant dans les bourgeons des membres ; des cellules germinales primordiales lorsqu'elles se d placent vers les gonades en d veloppement ; et des cellules canc reuses lorsqu'elles m tastasent. Des tudes d taill es de la migration des cellules germinales primordiales ont montr que la signalisation CXCL12 n'induit pas la migration cellulaire en soi, mais sert plut t contr ler sa direction. En l'absence de signalisation CXCL12, les cellules germinales pr sentent toujours la bulle membranaire associ e la migration cellulaire, mais la position du front cellulaire o les bulles se forment est choisie au hasard (Figure 21 46) ; si la signalisation CXCL12 est intacte, les bulles sont plus fr quentes du c t de la cellule qui fait face la source de CXCL12, ce qui entra ne une migration directionnelle. la distribution des cellules migratrices d pend des facteurs de survie La distribution finale des cellules migrantes d pend non seulement des itin raires qu'elles empruntent, mais aussi de leur capacit survivre au voyage et prosp rer dans l'environnement qu'elles trouvent la fin du voyage. Des sites sp cifiques fournissent des facteurs de survie n cessaires la survie de types sp cifiques de cellules migratrices. Parmi les ensembles les plus importants de cellules migratrices dans l'embryon de vert br figurent celles de la cr te neurale. Ils naissent de la r gi
Biologie moléculaire de la cellule	on frontali re entre la partie de l'ectoderme qui formera l' piderme et la partie qui formera le syst me nerveux central. Lorsque l'ectoderme neural s'enroule pour former le tube neural, les cellules de la cr te neurale se d tachent de la feuille pith liale le long de cette r gion frontali re et entament leurs longues migrations (voir la figure 19-8 et la vid o 21.5). Elles finissent par s'installer dans de nombreux sites et donnent naissance une tonnante diversit de types de cellules. Certains se logent dans la peau et se sp cialisent en tant que cellules pigmentaires ; D'autres encore forment du tissu squelettique dans le visage. D'autres encore se diff rencieront en neurones et en cellules gliales du syst me nerveux p riph rique, non seulement dans les ganglions sensoriels situ s pr s de la moelle pini re, mais aussi, apr s une migration beaucoup plus longue, dans la paroi de l'intestin. Les cellules de la cr te neurale qui donnent naissance aux cellules pigmentaires de la peau et celles qui se d veloppent dans les cellules nerveuses de l'intestin d pendent d'un peptide s cr t appel endoth line-3, qui est produit par les tissus le long des voies de migration et agit comme un facteur de survie pour les cellules de la cr te migratrices. Chez les mutants pr sentant un d faut dans le g ne de l'endoth line-3 ou de son r cepteur, bon nombre de ces cellules de la cr te migratrices meurent. En cons quence, les individus mutants ont des plaques de peau non pigment es (albinos) et un d ficit de cellules nerveuses dans l'intestin, en particulier son extr mit inf rieure, le gros intestin, qui devient anormalement distendu par manque de contr le neural appropri une condition potentiellement mortelle appel e m gac lon. Figure 21 46 Migration directionnelle par soufflage local. Les cellules germinales migrent via des protub rances qui d finissent le bord d'attaque de la cellule. la persistance et le site des protub rances sont biais s vers des niveaux plus lev s de cXcL12. ainsi, les cellules germinales migrent vers le haut du gradient cXcL12. Figure 21 47 Effet des mutations dans le g ne Kit. Le b b et la souris sont h t rozygotes en raison d'une mutation de perte de fonction qui ne leur laisse que la moiti de la quantit normale de produit du g ne Kit. Dans les deux cas, la pigmentation est d fectueuse parce que les cellules pigmentaires d pendent du produit g nique en tant que r cepteur d'un facteur de survie. (avec l'aimable autorisation de r.a. Fleischman, d'apr s r.a. Fleischman et al., Proc. Natl Acad. Sci. USA 88:10885 10889, 1991.) Un autre signal de survie important pour de nombreux types de cellules migratrices, y compris les cellules germinales primordiales, les pr curseurs de cellules sanguines et les cellules pigmentaires d riv es de la cr te neurale, d pend d'un r cepteur tyrosine kinase appel Kit. Celle-ci s'exprime la surface des cellules migratrices, et un ligand prot ique, appel facteur d'acier, est produit par les cellules du tissu travers lequel les cellules migrent et/ou dans lesquelles elles viennent s'installer. Les individus pr sentant des mutations dans les g nes de l'une ou l'autre de ces prot ines pr sentent des d ficits de pigmentation, de cellules sanguines et de cellules germinales (Figure 21-47). l' volution des mod les d'adh sion cellulaire Les mol cules forcent les cellules adopter de nouveaux arrangements Les mod les d'expression des g nes r gissent les mouvements des cellules embryonnaires de nombreuses fa ons. Ils r gulent la motilit cellulaire, la forme des cellules et la production de prot ines qui guident la migration. Il est important de noter qu'ils d terminent galement les ensembles de mol cules d'adh sion que les cellules affichent leur surface. Gr ce des changements dans ses mol cules de surface, une cellule peut briser les anciens attachements et en cr er de nouveaux. Les cellules d'une r gion peuvent d velopper des propri t s de surface qui les rendent coh rentes les unes avec les autres et se s parer d'un groupe voisin de cellules avec une chimie de surface diff rente. Des exp riences men es il y a un demi-si cle sur des embryons d'amphibiens pr coces ont montr que les effets de l'adh sion s lective cellule-cellule peuvent tre si puissants qu'ils peuvent entra ner une reconstruction approximative de la structure normale d'un embryon post-gastrulation pr coce apr s que les cellules ont t artificiellement dissoci es et m lang es. Lorsque ces cellules sont r agr g es en un m lange al atoire, les cellules se trient spontan ment en fonction de leurs origines germinales d'origine (Figure 21 48). Comme nous l'avons vu au chapitre 19, les prot ines de cadh rine jouent un r le central dans le processus de tri (voir Figure 19-9). Les cadh rines appartiennent une famille vaste et vari e de prot ines d'adh sion cellule-cellule d pendantes de Ca2+, et elles et d'autres prot ines d'adh sion cellule-cellule sont exprim es de mani re diff rentie
Biologie moléculaire de la cellule	lle dans les diff rents tissus de l'embryon pr coce. Les anticorps contre ces prot ines interf rent avec l'adh sion s lective normale entre des cellules de type similaire. Les changements dans les modes d'expression des diverses cadh rines sont troitement corr l s avec les mod les changeants d'association entre les cellules au cours de divers processus de d veloppement, y compris la gastrulation, la formation du tube neural et la formation du somite. Ces r arrangements cellulaires sont susceptibles d' tre r gul s et entra n s en partie par Figure 21 48 Tri par adh rence. Les cellules de diff rentes parties d'un embryon d'amphibien pr coce seront tri es en fonction de leurs origines. Dans l'exp rience classique pr sent e ici, les cellules du m soderme (en vert), les cellules de la plaque neurale (en bleu) et les cellules de l' piderme (en rouge) ont t d sagr g es puis r agr g es dans un m lange al atoire. Ils se rangent dans un arrangement rappelant un embryon normal, avec un tube neural l'int rieur, un piderme l'ext rieur et un m soderme entre les deux. (Modifi d'apr s p.L. townes et J. holtfreter, J. Exp. Zool. 128:53-120, 1955. Avec la permission de Wiley-Liss.) le motif Cadh rine. En particulier, les cadh rines semblent jouer un r le majeur dans le contr le de la formation et de la dissolution des feuillets pith liaux et des amas de cellules (voir la vid o 19.1). Non seulement ils collent une cellule une autre, mais ils fournissent galement un ancrage pour les filaments d'actine intracellulaires aux sites d'adh sion cellule-cellule. De cette fa on, le mod le de contraintes et de mouvements dans le tissu en d veloppement est r gul en fonction du mod le d'adh sions cellulaires. Les diff rents types de cadh rines permettent diff rents types de cellules de s'int grer de mani re s lective : les cellules exprimant un type de cadh rine maximisent leur contact avec les cellules exprimant la m me cadh rine et se s parent ainsi des autres cellules, cr ant ainsi des limites tissulaires sp cifiques. Le m lange cellulaire peut tre inhib et les limites cr es et maintenues d'une autre mani re : des cellules de diff rents types peuvent parfois se repousser activement. L'activation bidirectionnelle des r cepteurs Eph et des phrines discut e au chapitre 15 m die souvent une telle r pulsion, agissant aux interfaces entre diff rents groupes de cellules pour emp cher les groupes de se m langer, et repoussant l'invasion par des visiteurs inappropri s. La signalisation phrine-Eph op re, par exemple, aux limites des rhombom res dont nous avons parl plus haut. Les rhombom res voisins expriment des combinaisons compl mentaires d' phrines et de r cepteurs Eph, ce qui maintient les cellules des rhombom res adjacents strictement s par es, avec une fronti re entre eux qui est nettement d finie (Figure 21-49). Des groupes de cellules similaires peuvent effectuer des r arrangements collectifs dramatiques Le tri cellulaire m di par la cadh rine et la r pulsion m di e par l' phrine-Eph illustrent comment les diff rences dans les propri t s de surface cellulaire peuvent entra ner des arrangements tissulaires, provoquant la s paration des cellules qui expriment diff rents ensembles de g nes. Cependant, des groupes de cellules qui sont tous similaires peuvent galement subir des r arrangements spectaculaires. Lors de la gastrulation de la grenouille, par exemple, les cellules d'une r gion de l' pith lium de surface s'invaginent et migrent sous forme de feuille l'int rieur de l'embryon et convergent vers la ligne m diane embryonnaire. Le mouvement est principalement entra n par un r arrangement actif des cellules migratrices, appel extension convergente. Ici, les cellules rampent les unes sur les autres de mani re coordonn e, d pla ant leurs voisines lors de leur migration, ce qui fait que la feuille de cellule se r tr cit le long d'un axe (convergent) et s'allonge le long d'un autre (extension). De mani re frappante, de petits fragments carr s de tissu de la Figure 21 49 Tri par r pulsion. Signalisation phrine-eph dans la segmentation du cerveau post rieur chez un embryon de poussin. Chaque paire de rhombom res (segments du cerveau post rieur) est associ e un arc branchial (rudiment branchial modifi ) auquel elle envoie une innervation. les rhombom res se distinguent les uns des autres par l'expression de diff rents g nes Hox (voir Figure 21-32). La r pulsion mutuelle (barres rouges) entre les cellules qui expriment l' phrine B2 dans le rhombom re 4 et l'epha4 dans le lhombom re 5 cr e une fronti re nette. Les lamollipdes tentent de ramper sur les surfaces des cellules voisines, en les tirant vers l'int rieur en direction des fl ches La r gion appropri e de l'embryon, isol e en culture, se r tr cira et s'allongera spontan ment, tout comme elles le feraient dans l'embryon (Figure 21-50). L'alignement des mouvements cellulaires d pend de la m me voie de signalisation qui est impliqu e dans la g n ration
Biologie moléculaire de la cellule	de la polarit cellulaire planaire dans les pith liums en d veloppement, comme nous le verrons ensuite. Les cellules l'int rieur d'un pith lium ont toujours une polarit apicale-basale (discut e au chapitre 19), mais les cellules de nombreux pith liums pr sentent une polarit suppl mentaire perpendiculairement cet axe : les cellules sont toutes dispos es comme si elles avaient une fl che crite sur elles, pointant dans une direction sp cifique dans le plan de l' pith lium. Ce type de polarit est appel polarit cellulaire planaire. Dans l'aile d'une mouche, par exemple, chaque cellule pith liale a une minuscule projection asym trique, appel e poil d'aile, sa surface, et les poils pointent tous vers l'extr mit de l'aile. De m me, dans l'oreille interne d'un vert br , chaque cellule cili e m canosensorielle a un faisceau asym trique orient avec pr cision de protub rances remplies d'actine et de b tonnets appel es st r ocils qui sortent de sa membrane plasmique apicale comme un d tecteur de son et de forces telles que la gravit . L'inclinaison du faisceau dans une direction provoque l'ouverture des canaux ioniques dans la membrane, activant lectriquement la cellule ; L'inclinaison dans la direction oppos e a l'effet inverse. Pour que l'oreille fonctionne correctement, les cellules cili es doivent tre correctement orient es. La polarit cellulaire planaire est galement importante dans les voies respiratoires, o chaque cellule cili e doit orienter le battement de ses cils de mani re balayer le mucus vers le haut, loin des poumons. Des criblages de mutants avec des poils d'ailes mal orient s chez la drosophile ont identifi un ensemble de g nes essentiels la polarit cellulaire planaire. Certains de ces g nes codent pour Figure 21 50 Extension convergente et sa base cellulaire. (a) Sch ma de principe des comportements cellulaires qui sous-tendent l'extension convergente. Les cellules forment des lamellipodes, avec lesquelles elles tentent de ramper les unes sur les autres. L'alignement des mouvements lamellipodiaux le long d'un axe commun conduit une extension convergente. le processus d pend de la voie de signalisation Wnt-Frizzled/planar-cell-polarity et est coop ratif, probablement parce que les cellules d j align es exercent des forces qui ont tendance aligner leurs voisins de la m me mani re. (B G) le mod le d'extension convergente du m soderme dorsal pendant la gastrulation du poisson-z bre 8,8 (B, e), 9,3 (c, F) et 11,3 (D, G) heures apr s la f condation. Les cellules qui donneront naissance la notocorde sont tiquet es en vert, et les cellules qui donneront naissance aux somites et aux muscles sont tiquet es en bleu. les domaines de la notocorde et du somite sont spatialement s par s d s le d but de l'enregistrement (B, e), mais leurs limites sont d'abord peine visibles et ne deviennent videntes qu'un peu plus tard. la convergence r tr cit le domaine de la notocorde une largeur d'environ deux cellules au dernier point temporel (D, G). (a, d'apr s J. Shih et R. Keller, Development 116:901-914, 1992 ; B G, apr s N.S. Glickman et al., D veloppement 130:873-887, 2003. Avec l'autorisation de la compagnie de biologistes.) Figure 21 51 Polarit cellulaire planaire. (a) Poils alaires sur l'aile d'une mouche. Chaque cellule de l' pith lium de l'aile forme une petite protub rance h riss e ou poil son sommet, et tous les poils pointent dans la m me direction, vers l'extr mit de l'aile. Cela refl te une polarit plane dans la structure de chaque cellule. (B) Les cellules cili es sensorielles de l'oreille interne d'une souris ont galement une polarit plane bien d finie, qui se manifeste par le motif orient des st r ocils (protub rances remplies d'actine) leur surface. La d tection du son d pend de l'orientation correcte et coordonn e des cellules cili es. (c) une mutation dans le g ne Flamingo chez la mouche, codant pour une cadh rine non classique, perturbe le mod le de polarit cellulaire planaire dans l'aile. (D) une mutation dans un g ne homologue Flamingo chez la souris randomise l'orientation du vecteur de polarit cellulaire planaire des cellules cili es de l'oreille. Les souris mutantes sont sourdes. (a et c, d'apr s J. chae et al., Development 126:5421-5429, 1999. Avec l'autorisation de la soci t de biologistes ; B et D, d'apr s J.a. Curtin et al., Curr. Biol. 13:1129-1133, 2003. Avec l'autorisation d'elsevier.) composants de la voie de signalisation Wnt, d'autres codent pour des membres sp cialis s de la superfamille des cadh rines, tandis que les fonctions des autres sont incertaines. Ces composants de la signalisation de polarit cellulaire planaire sont assembl s aux jonctions cellule-cellule de l' pith lium de mani re exercer une influence polarisante qui peut se propager d'une cellule l'autre. Essentiellement, le m me syst me de prot ines contr le la polarit cellulaire planaire chez les vert br s ; les souris d ficientes en homologues des g ne
Biologie moléculaire de la cellule	s de polarit planaire de la drosophile pr sentent une vari t de d fauts, notamment des cellules cili es mal orient es dans l'oreille interne, ce qui les rend sourdes (Figure 21-51). Les animaux ont besoin de types sp cialis s de surfaces pith liales pour de nombreuses fonctions, notamment l'excr tion, l'absorption des nutriments et les changes gazeux. Lorsque de grandes surfaces sont requises, elles sont souvent organis es en structures tubulaires ramifi es. Le poumon en est un exemple. Il provient de bourgeons pith liaux qui poussent partir du plancher de l'intestin ant rieur et envahissent le m senchyme voisin pour former l'arbre bronchique, un syst me de tubes qui se ramifient plusieurs reprises au fur et mesure de leur extension. Les cellules endoth liales qui forment la muqueuse des vaisseaux sanguins envahissent le m me m senchyme, cr ant ainsi un syst me de voies respiratoires et de vaisseaux sanguins troitement appos s, comme requis pour les changes gazeux dans les poumons (Figure 21-52). Tout ce processus de morphogen se ramifi e d pend de signaux qui passent dans les deux sens entre les bourgeons pith liales en croissance et le m senchyme. Des tudes g n tiques chez la souris indiquent que les prot ines FGF et leurs r cepteurs tyrosine kinases jouent un r le central dans ces processus de signalisation. La signalisation FGF joue divers r les dans le d veloppement, mais elle est particuli rement importante dans les nombreuses interactions qui se produisent entre un pith lium en d veloppement et un m senchyme. Figure 21 52 Les voies respiratoires du poumon, Dans le cas du d veloppement pulmonaire, FGF10 est exprim en grappes de mesen montr es dans un moulage de l'arbre bronchique humain adulte. Des r sines de diff rentes couleurs cellules chymatiques qui se trouvent pr s des extr mit s des tubes pith liaux en croissance, et son r cepteur est exprim dans les cellules pith liales envahissantes. Chez les souris mutantes d ficientes en FGF10, un pri de l'arbre des voies respiratoires. (D'apr s r. Warwick Mary, le bourgeon de l' pith lium pulmonaire est form mais ne parvient pas se d velopper dans le m senchyme et p.L. Williams, Gray's anatomy, 35e d. pour cr er un arbre bronchique ramifi . l'inverse, une perle microscopique tremp e dimbourg : Longman, 1973.) deux nouveaux centres de FGF10 fabriqu par un amas de cellules du m senchyme l'extr mit de la FGF10 et plac pr s de l' pith lium pulmonaire embryonnaire en culture induira la formation d'un bourgeon et sa croissance de l' pith lium vers la perle. De toute vidence, l' pith lium n'envahit le m senchyme que sur invitation, en r ponse FGF10. Mais qu'est-ce qui fait que les tubes pith liaux en croissance du poumon se ramifient plusieurs reprises lorsqu'ils envahissent le m senchyme ? Cela d pend d'un signal Sonic Hedgehog qui est envoy dans la direction oppos e, des cellules pith liales l'extr mit des bourgeons vers le m senchyme, comme le montre la figure 21-53. Chez les souris H risson sonique, l' pith lium pulmonaire se d veloppe et se diff rencie, mais il forme un sac au lieu d'un arbre ramifi de tubules. La signalisation FGF agit d'une mani re remarquablement similaire dans la formation du syst me d' change d'air des insectes, qui consiste en un motif de canaux fins remplis d'air appel s trach es et trach oles. Ceux-ci proviennent de l' piderme recouvrant la surface du corps et s' tendent vers l'int rieur pour envahir les tissus sous-jacents, se ramifiant et se r tr cissant au fur et mesure (Figure 21 54). Le FGF agit sur les cellules l'extr mit de la trach e en progression, ce qui les am ne tendre les filopodes et migrer vers la source du signal FGF. Parce que les cellules de l'extr mit restent connect es au reste de l' pith lium trach al, la force de traction qu'elles g n rent allonge le tube trach al. Initialement, le mod le de production de FGF chez les embryons de mouches est d fini par les syst mes de structuration D-V et A-P discut s pr c demment. Cependant, dans les stades ult rieurs du d veloppement, l'expression du FGF est induite par des r gulateurs de transcription appel s facteurs inductibles par l'hypoxie (HIF) qui sont activ s par l'hypoxie (faibles niveaux d'oxyg ne). De cette fa on, l'hypoxie stimule la formation d'une trach e de plus en plus fine et de plus en plus ramifi e, jusqu' ce que l'apport en oxyg ne soit suffisant pour arr ter le processus. L'hypoxie et les HIF ont des r les similaires chez les vert br s, en particulier dans le d veloppement des vaisseaux sanguins, comme nous le verrons dans le chapitre suivant. Figure 21 54 Morphogen se ramifi e des voies respiratoires chez une mouche. (a) Syst me trach al embryonnaire de la drosophile. (B) Le FGF (produit chez la drosophile par le g ne Branchless) signale les cellules environnantes l' pith lium trach al et active ses r cepteurs FGF, conduisant la formation de filopodes et l'allongement du tube. [a, d
Biologie moléculaire de la cellule	'apr s G. Manning et M.a. Krasnow, dans the Development of Drosophila (a. Martinez-arias et M. Bate, eds), Vol. 1, pp. 609-685. New York : Cold Spring Harbor Laboratory press, 1993.] Figure 21 53 Morphogen se ramifi e du poumon. comment on pense que FGF10 et Sonic hedgehog induisent la croissance et la ramification des bourgeons de l'arbre bronchique. De nombreuses autres mol cules de signal, telles que BMp4, sont galement exprim es dans ce syst me, et le m canisme de ramification sugg r n'est qu'une des nombreuses possibilit s. comme indiqu , la prot ine FGF10 est exprim e dans des amas de cellules m senchymateuses pr s des extr mit s des tubes pith liaux en croissance, et son r cepteur est exprim dans les cellules pith liales elles-m mes. le signal Sonic hedgehog est envoy dans la direction oppos e, des cellules pith liales l'extr mit des bourgeons vers le m senchyme. les mod les d'expression des g nes et leur timing sugg rent que le signal Sonic Hedgehog peut servir arr ter l'expression de FGF10 dans les cellules du m senchyme les plus proches de l'extr mit croissante d'un bourgeon, divisant le cluster s cr tant FGF10- en deux groupes distincts, qui leur tour provoquent la ramification du bourgeon en deux. Figure 21 55 Les formes de comportement cellulaire qu'un pith lium peut plier au cours du d veloppement pour former un tube ou participer la formation d'un tube. RepliementLa v sicule g n re le tube neural, le bourgeonnement sous-tend la formation des poumons et La cr ation de syst mes de tubes tels que des vaisseaux sanguins et des voies respiratoires est une trach e complexe, le creux du cordon se produit pendant le processus et peut impliquer diverses formes suppl mentaires de comportement cellulaire, comme le montre la formation de la salivaire de mammif re dans la figure 21-55. glandes, le creusement cellulaire est impliqu dans le Comme expliqu au chapitre 19, le processus qui convertit une feuille pith liale en une formation de tubes de cellules terminales trach ales, et l'assemblage cellulaire g n re le tube cardiaque d pend de la contraction de faisceaux sp cifiques de filaments d'actine. Avec l'aide qui se forme au stade le plus pr coce du c ur des prot ines motrices de la myosine, les faisceaux de filaments d'actine peuvent se raccourcir, provoquant le d veloppement de l' pithe. cellules liales se r tr cir leur apex. Ces faisceaux d'actine sont reli s de cellule en cellule par des jonctions adh rentes, et si leur contraction est coordonn e le long d'un axe sp cifique, le r sultat sera que la feuille se plie et s'enroule en un tube (Figure 21-56). Le tube neural des vert br s, dont nous parlons dans la derni re section de ce chapitre, trouve son origine de cette mani re. feuille de cellules pith liales INVAGINATION DE LA FEUILLE PITH LIALE CAUS E PAR UN RESSERREMENT ORGANIS LE LONG D'UNE CEINTURE D'ADH RENCE AVEC DES CEINTURES D'ADH RENCE DANS DES R GIONS S LECTIONN ES DE FEUILLETS D'ACTINE ASSOCI S FEUILLE CELLULAIRE Figure 21 56 Flexion d'une feuille pith liale pour former un tube. La contraction des faisceaux apicaux de filaments d'actine li s de cellule cellule par des jonctions adh rentes provoque le r tr cissement des cellules pith liales leur sommet. Selon que la contraction est orient e le long d'un axe de la feuille ou qu'elle est gale dans toutes les directions, l' pith lium s'enroulera dans un tube ou s'invaginera pour former une v sicule. (a) Sch ma montrant comment une contraction apicale le long d'un axe d'une feuille pith liale peut amener la feuille former un tube. (B) Micrographie lectronique balayage d'une coupe transversale travers le tronc d'un embryon de poussin de deux jours, montrant la formation du tube neural par le processus sch matis en (a). (B, avec l'aimable autorisation de Jean-paul Revel.) Le d veloppement animal implique des mouvements cellulaires spectaculaires, y compris la migration guid e de cellules individuelles, l'adh sion et la r pulsion de groupes de cellules, et l'extension, la ramification ou l'enroulement complexes des tissus pith liaux. Les cellules migratrices, telles que celles de la cr te neurale, se d tachent de leurs voisins d'origine et voyagent travers l'embryon pour coloniser de nouveaux sites. De nombreuses cellules migratrices, y compris les cellules germinales primordiales, sont guid es par une chimiotaxie d pendant du r cepteur CXCR4 et de son ligand CXCL12. En g n ral, les cellules qui ont des mol cules d'adh sion similaires leur surface sont coh rentes et ont tendance se s parer des autres groupes de cellules ayant des propri t s de surface diff rentes. L'adh sion s lective entre cellules est souvent m di e par les cadh rines ; la r pulsion est souvent entra n e par la signalisation phrine-Eph. l'int rieur d'un feuillet pith lial, les cellules peuvent se r organiser pour entra ner la convergence et l'extension pith liales, comme dans la gastrulation. De nombreux mouvemen
Biologie moléculaire de la cellule	ts sont coordonn s par une voie de signalisation de polarit plane d pendante de Wnt qui est galement responsable de l'orientation correcte des cellules dans divers types d' pith lium. Des structures tubulaires ramifi es labor es, telles que les voies respiratoires du poumon, sont g n r es par une signalisation bidirectionnelle entre un bourgeon pith lial et le m senchyme qu'il envahit, dans un processus appel morphogen se ramifi e. Les tubes pith liaux et les v sicules peuvent provenir de diverses mani res, le plus simplement par l'enroulement et le pincement d'un segment d' pith lium, comme dans la formation du tube neural. L'un des aspects les plus fondamentaux du d veloppement animal est un aspect dont nous savons tonnamment peu de choses : la fa on dont la taille d'un animal ou d'un organe est d termin e. Pourquoi, par exemple, grandissons-nous jusqu' tre beaucoup plus grands qu'une souris ? M me au sein d'une esp ce, la taille peut varier consid rablement ; un dogue allemand, par exemple, peut peser plus de 40 fois plus qu'un chihuahua (figures 21-57). Trois variables d finissent la taille d'un organe ou d'un organisme : le nombre de cellules, la taille des cellules et la quantit de mat riel extracellulaire par cellule. Des diff rences de taille peuvent d couler de changements dans l'un ou l'autre de ces facteurs (figures 21 58). Si nous comparons une souris avec un humain, par exemple, nous constatons que la diff rence r side principalement dans le nombre de cellules, il y a environ 3000 fois plus de cellules chez un humain, ce qui correspond un corps qui est environ 3000 fois plus massif. Les esp ces sauvages et cultiv es de plantes alimentaires, en revanche, diff rent souvent par la taille du corps principalement en raison de diff rences de taille cellulaire. Le d fi consiste donc comprendre comment le nombre de cellules, la taille des cellules et la production de matrice extracellulaire sont r gul s. Tout d'abord, nous devons identifier les signaux qui stimulent ou inhibent la croissance. Ensuite, nous devons d couvrir comment les signaux eux-m mes sont r gul s. Dans de nombreux cas, la taille d'un organe ou du corps dans son ensemble semble tre contr l e de mani re hom ostatique, de sorte que la taille correcte est atteinte et maintenue m me face des perturbations drastiques. Cela sugg re que la structure en d veloppement d tecte d'une mani re ou d'une autre sa propre taille et utilise cette information pour r guler les signaux de sa propre croissance ou r tr cissement. Dans la plupart des cas, la nature de ce contr le par r troaction reste un profond myst re. Dans d'autres cas, la dur e de croissance et la taille finale semblent tre dict es par des programmes intracellulaires qui ne tenez pas compte de la taille que la structure a atteinte. Ces programmes intracellulaires pr sentent galement de nombreux myst res, comme nous l'avons vu dans notre discussion sur le calendrier de d veloppement. Tr s souvent, il semble que la taille et les proportions des parties du corps doivent d pendre de combinaisons de contr les de r troaction de mesure de la taille et de programmes intracellulaires, ainsi que d'influences environnementales telles que la nutrition. La variation des strat gies de contr le est bien illustr e par certaines exp riences de transplantation classiques. Si plusieurs glandes du thymus f tal sont transplant es chez une souris en d veloppement, chacune d'entre elles atteint sa taille adulte caract ristique. En revanche, si plusieurs rates f tales sont transplant es, chacune d'entre elles finit par tre plus petite que la normale, mais collectivement, elles atteignent la taille d'une rate adulte. Ainsi, la croissance du thymus est r gul e par des m canismes locaux intrins ques l'organe individuel, tandis que la croissance de la rate est contr l e par un m canisme de r troaction qui d tecte la quantit de tissu de la rate dans le corps dans son ensemble. Dans aucun des deux cas, le m canisme n'est connu. Figure 21 57 Les membres d'une m me esp ce peuvent avoir des tailles radicalement diff rentes. le chihuahua p se de 2 5 kilogrammes, tandis qu'un dogue allemand p se de 45 90 kilogrammes. (Avec l'aimable autorisation de Deanne Fitzmaurice.) Figure 21 58 D terminants de la taille des organes.la prolif ration, la mort et la taille des cellules d terminent la taille de l'organisme Le ver n matode C. elegans illustre les diff rentes fa ons dont les diff rences de taille peuvent appara tre. Cette cr ature suit un programme de d veloppement tonnamment pr cis et pr visible. Chaque individu d'un sexe donn est g n r par presque exactement les m mes s quences de divisions cellulaires et de morts cellulaires, et par cons quent a exactement le m me nombre de cellules somatiques 959 chez l'hermaphrodite adulte (le sexe de la majorit de ces animaux) bien que le nombre de cellules germinales soit plus variable d'un ver l'autre. Le d veloppement st r otyp perme
Biologie moléculaire de la cellule	t de retracer les lign es cellulaires somatiques de mani re exhaustive. Plus de 1000 divisions cellulaires g n rent 1090 cellules somatiques au cours du d veloppement hermaphrodite, mais 131 de ces cellules subissent une mort cellulaire apoptotique. Ainsi, la r gulation pr cise de la division cellulaire et de la mort cellulaire d termine le nombre final de cellules somatiques dans le ver. En fait, les cribles g n tiques chez C. elegans ont identifi les premiers g nes responsables de l'apoptose et de sa r gulation, r volutionnant ainsi notre compr hension mol culaire de cette forme de mort cellulaire programm e (voir le chapitre 18). Le nombre final de cellules somatiques chez le ver adulte est d j pr sent maturit sexuelle (environ trois jours apr s la f condation), apr s quoi plus de cellules somatiques ne sont g n r es. Pourtant, le ver continue de cro tre, doublant de taille entre la maturit sexuelle et la mort 2 3 semaines plus tard. Ce doublement r sulte de la croissance des cellules somatiques : bien que les cellules ne se divisent plus, elles continuent passer par des cycles de synth se de l'ADN ; Cette endor plication du g nome rend les cellules polyplo des. Comme dans tous les organismes, la taille d'une cellule est proportionnelle sa plo die, c'est- -dire au nombre de copies du g nome qu'elle contient : un doublement de la plo die double peu pr s le volume cellulaire. En manipulant artificiellement la plo die des cellules somatiques, et donc la taille des cellules somatiques, la taille du ver dans son ensemble peut tre augment e ou diminu e. Ainsi, la taille finale du ver est fix e par une combinaison de divisions cellulaires programm es et de morts cellulaires, ainsi que par la r gulation de la taille des cellules individuelles par des changements dans la plo die. Chez les plantes, comme chez les animaux, la taille des cellules augmente mesure que la plo die augmente (Figure 21 59). Cet effet a t exploit dans la s lection agricole de plantes de grande taille : la plupart des principaux fruits et l gumes que nous consommons sont polyplo des. La taille d'un animal ou d'un organe d pend la fois du nombre de cellules et de la taille des cellules, c'est- -dire de la masse cellulaire totale. Remarquablement, de nombreux animaux et organes peuvent d'une mani re ou d'une autre valuer leur masse cellulaire totale et la r guler, fournissant des preuves de contr les par r troaction du type de ceux mis en vidence plus t t dans notre expos introductif des principes g n raux du contr le de la croissance. Contrairement C. elegans, si la taille des cellules est artificiellement augment e ou diminu e dans ces cas, le nombre de cellules s'ajuste pour maintenir une masse cellulaire totale normale. Cela a t magnifiquement illustr Par des exp riences men es il y a longtemps sur des salamandres, o la taille des cellules peut tre manipul e en modifiant la plo die de l'animal. Comme le montre la figure 21 59E, les salamandres de diff rentes plo des finissent par avoir la m me taille avec un nombre de cellules tr s diff rent. Les cellules individuelles d'une salamandre pentaplo de, Figure 21 59 Effets de la plo die sur la taille des cellules et des organes. Dans tous les organismes, des bact ries aux humains, la taille des cellules est proportionnelle la plo die, c'est- -dire le nombre de copies du g nome par cellule. ceci est illustr pour (a D) les fleurs d'Arabidopsis et (e) pour les salamandres. Dans chaque cas, les panneaux sup rieurs montrent des cellules dans un tissu sp cifique [un p tale pour Arabidopsis, un tubule pron phrique (rein) pour la salamandre] ; les panneaux inf rieurs montrent l'anatomie grossi re : les fleurs pour l'Arabidopsis, le corps entier pour la salamandre. Dans le cas des fleurs d'Arabidopsis, l'augmentation de la taille des cellules augmente la taille des organes. En revanche, la salamandre et ses organes individuels atteignent leur taille standard normale ind pendamment de la plo die, car la grande taille des cellules est compens e par moins de cellules. Cela indique que la taille d'un organisme ou d'un organe chez cette esp ce n'est pas contr l e simplement en comptant les divisions cellulaires ou le nombre de cellules ; La taille doit tre r gul e d'une mani re ou d'une autre au niveau de la masse cellulaire totale. [a D, d'apr s c. Breuer et al., Plant Cell 19:3655 3668, 2007. Avec l'autorisation de l'American Society of plant Biologists ; e, adapt de G. Fankhauser, dans analyse du d veloppement (B.h. Willier, p.a. Weiss et V. Hamburger, eds), pp. 126-150. Philadelphie : Saunders, 1955.] Par exemple, elles sont environ cinq fois plus grandes que celles d'une salamandre haplo de, mais il n'y a qu'un cinqui me de cellules en moins. Ce d tartrage fonctionne non seulement dans le corps dans son ensemble, mais dans ses organes individuels. Les disques imaginaux de la drosophile fournissent un autre exemple frappant de contr le hom ostatique de la taill
Biologie moléculaire de la cellule	e. Il s'agit de poches pith liales qui se d veloppent par prolif ration cellulaire pendant la p riode larvaire et, au stade nymphal, forment les organes et les extr mit s de la mouche adulte (figures 21 60). Les exp riences ont t principalement faites sur le disque imaginal de l'aile. Des mutations dans les composants de la machinerie de contr le du cycle cellulaire peuvent tre utilis es pour acc l rer ou ralentir le taux de division cellulaire dans le disque. Remarquablement, de telles mutations peuvent entra ner un nombre excessif de cellules anormalement petites Figure 21 60 Les disques imaginaux de la larve de drosophile (ci-dessous) et les structures de l'adulte (ci-dessus) qu'ils donnent naissance. [d'apr s J.W. Fristrom et al., dans Probl mes en biologie : l'ARNr dans le d veloppement (e.W. hanley, d.), p. 382. Salt Lake City : Presses de l'Universit de l'Utah, 1969.] Figure 21 61 Naine hypophysaire et g ant pituitaire. le g ant droite est Robert Ladlow (1914-1940), l'homme le plus grand enregistr 8 pieds 11 pouces (2,72 m), avec son p re, qui mesurait pr s de 6 pieds (1,82 m). le nain gauche est le g n ral Tom Thumb, qui tait le nom de sc ne de Charles Sherwood Stratton (1838-1883). Le jour de son 18e anniversaire, il mesurait 2 pieds 8,5 pouces (82,6 cm) et sa mort, il mesurait 3 pieds 4 pouces (102 cm). (Images de http://en.wikipedia.org/wiki/ File:robert_Wadlow.jpg. Bettmann/cOrBIS.) ou un nombre r duit de cellules anormalement grandes, respectivement, laissant la taille (surface) et le motif de l'aile adulte pratiquement inchang s. Ainsi, la taille du disque n'est pas r gul e de mani re contenir un nombre d fini de cellules. Au lieu de cela, il doit y avoir un m canisme de r gulation qui arr te la croissance lorsque la masse cellulaire totale du disque atteint la valeur appropri e, de sorte que la taille et le motif de l'aile adulte qui se d veloppe partir du disque soient normaux. Remarquablement, les disques en d veloppement ou m me les fragments de disques, sortis de leur contexte normal et transplant s dans l'abdomen d'une femelle adulte se d velopperont jusqu' ce qu'ils atteignent leur taille normale. De toute vidence, les m canismes qui r gulent la taille du disque sont intrins ques au disque. Nous avons encore tr s peu d'id e de la fa on dont les organismes ou les organes valuent leur masse cellulaire totale ou surveillent leur propre croissance. N anmoins, nous commen ons comprendre 1 m tre certaines des mol cules de signal qui stimulent ou arr tent la croissance en r ponse aux signaux myst rieux qui transmettent des informations sur la taille atteinte. Nous avons d j vu comment certains signaux agissent de mani re syst mique comme des hormones pour r guler le d veloppement de l'animal dans son ensemble. Certains d'entre eux servent r guler la croissance. Chez les mammif res, par exemple, l'hormone de croissance (GH) est s cr t e par l'hypophyse dans la circulation sanguine et stimule la croissance dans tout le corps : une production excessive d'hormone de croissance conduit au gigantisme, et trop peu conduit au nanisme (Figure 21 61). Les nains hypophysaires ont des corps et des organes proportionnellement petits, contrairement aux nains achondroplastiques, par exemple, dont les membres sont disproportionnellement courts, g n ralement en raison d'une mutation dans un g ne codant pour un r cepteur FGF qui perturbe le d veloppement normal du cartilage (Figure 21-62). L'hormone de croissance stimule la croissance en grande partie en incitant le foie et d'autres organes produire un facteur de croissance analogue l'insuline 1 (IGF1), qui agit principalement comme un signal local dans de nombreux tissus pour augmenter la survie cellulaire, la croissance cellulaire, la prolif ration cellulaire ou une combinaison de ceux-ci, selon le type de cellule. Les grandes races de chiens telles que les dogues allemands doivent leur grande taille des niveaux lev s d'IGF1, tandis que les races miniatures telles que les chihuahuas ont de faibles niveaux (voir figure 21-57). Tous les signaux extracellulaires r gulateurs de croissance ne stimulent pas la croissance ; Certains l'inhibent, en favorisant la mort cellulaire ou en inhibant la croissance cellulaire, la division cellulaire ou les deux. La myostatine est un membre de la famille des TGF qui inhibe sp cifiquement la croissance et la prolif ration des myoblastes, les cellules pr curseurs qui fusionnent pour former les normes cellules multinucl es du muscle squelettique. Lorsque le g ne de la myostatine est supprim chez la souris, les muscles se d veloppent jusqu' tre plusieurs fois plus gros que la normale. Remarquablement, deux races de bovins qui ont t lev es pour leurs gros muscles se sont toutes deux av r es avoir des mutations dans le g ne de la myostatine ; Les chiens whippet mutants pour la myostatine se d veloppent de la m me mani re (Figure 21-63). Figure 21 62 Achondroplasie. Ce
Biologie moléculaire de la cellule	type de nanisme se produit dans l'une des 10 000 100 000 naissances ; dans plus de 99% des cas, elle r sulte d'une mutation un site identique du g nome, correspondant l'acide amin 380 du r cepteur FGF FGFr3 (une glycine dans le domaine transmembranaire). La mutation est dominante, et presque tous les cas sont dus de nouvelles mutations ind pendantes, ce qui implique un taux de mutation extraordinairement lev ce site particulier du g nome. le d faut de signalisation FGF provoque le nanisme en interf rant avec la croissance du cartilage dans le d veloppement des os longs. (D'apr s le tableau de Sebastian de Morra de Velasquez, Museo del prado, Madrid.) Figure 21 63 La myostatine limite la croissance musculaire. un chien whippet de type sauvage et un whippet bully qui manque de myostatine. a, partir de http://www.merlinanimalrescue.co.uk/dogs/?m=201211 ; B, de http://animalslook.com/schwarzenegger-dog/.) Comme le TGF lui-m me, la myostatine agit par le biais de la voie de signalisation intracellulaire Smad (voir Figure 15-57) pour inhiber sp cifiquement la croissance musculaire. Une autre voie de signalisation intracellulaire, appel e voie Hippo, inhibe la croissance des organes et des organismes de mani re plus g n rale. Il a t d couvert chez la drosophile, mais il op re galement chez les vert br s. Il inhibe la croissance la fois en favorisant la mort cellulaire (en bloquant un inhibiteur de l'apoptose) et en inhibant la progression du cycle cellulaire (en inhibant l'expression du g ne du cycle cellulaire Cycline E). Certains composants de la voie chez la drosophile sont illustr s dans la figure 21-64. Les organes des animaux qui r sistent anormalement la r pression des hippopotames peuvent atteindre une taille monstrueuse (Figure 21 65). Il est important de noter que chez toutes les esp ces, les conditions nutritionnelles jouent galement un r le fondamental dans la r gulation du rythme et de l' tendue de la croissance, et chez les animaux, elles le font par le biais de r seaux de signaux hormonaux qui sont hautement conserv s entre les vert br s et les invert br s. Bien que nous n'ayons pas la place pour les d tails ici, des exp riences g n tiques, en particulier chez la drosophile, ont commenc d m ler la logique de ces contr les et indiquer comment ils peuvent fonctionner avec d'autres m canismes, tels que la voie Hippo, pour d terminer la taille finale. La taille des animaux et de leurs organes varie consid rablement et d pend en grande partie de la masse cellulaire totale. Cela d pend son tour de la taille et du nombre de cellules, qui sont augment es par la croissance cellulaire et la division cellulaire, respectivement. Le nombre de cellules est r duit par la mort cellulaire programm e. Chacun de ces processus d pend la fois de l'environnement intracellulaire et de l' Figure 21 65 Vaincre la r pression des hippopotames augmente la taille des organes. (a) Foies de souris t moins et souris surexprimant Yap. Chez ces souris, la signalisation de l'hippopotame est insuffisante pour bloquer Yap. (B) t tes d'adultes provenant de contr le et les mouches surexprimant Yap. Chez les mouches mutantes, la signalisation de l'hippopotame est incapable de bloquer Yap. (D'apr s J. Dong et al., Cell 130:1120 1133, 2007.Avec la permission d'elsevier.) Figure 21 64 Parcours de l'hippopotame. hippo, une prot ine kinase, limite la croissance par phosphorylation et activation de la kinase Warts, qui son tour phosphoryle et inactive le coactivateur transcriptionnel Yorkie (appel Yap chez les vert br s). Lorsqu'il n'est pas phosphoryl , Yorkie/Yap stimule la croissance des tissus : il active la transcription du g ne de croissance Myc, du g ne de progression du cycle cellulaire Cycline E, du g ne anti-apoptotique Diap et de l'ARNr Bantam. La phosphorylation de Yorkie/Yap induite par l'hippopotame bloque cet effet. signaux extracellulaires. Le myst re est de savoir comment ces processus sont r gul s et coordonn s pour produire et maintenir la taille finale caract ristique de l'organe adulte ou de l'animal. Certains signaux tels que les facteurs de survie, les facteurs de croissance et les mitog nes stimulent la croissance en favorisant respectivement la survie cellulaire, la croissance cellulaire et la division cellulaire, tandis que d'autres mol cules de signal font le contraire. Bien que la plupart de ces signaux agissent localement pour aider sculpter la taille et la forme de l'animal, ses organes et ses appendices, d'autres agissent comme des hormones pour r guler la croissance de l'animal dans son ensemble. Les nutriments peuvent r guler la croissance par des signaux hormonaux dans tout le corps. De nombreux animaux et organes peuvent, par des m canismes inconnus, valuer leur masse cellulaire totale et la r guler. Si, par exemple, la taille des cellules est artificiellement augment e ou diminu e dans ces cas, le nombre de cellules s'ajuste pour maintenir une masse cellulai
Biologie moléculaire de la cellule	re totale normale. l'inverse, si le nombre de cellules est augment ou diminu artificiellement, la taille des cellules s'ajuste pour compenser. Le d veloppement du syst me nerveux pose des probl mes qui ont peu d' cho dans d'autres tissus. Une cellule nerveuse typique, ou neurone, a une structure diff rente de celle de toute autre classe de cellules, avec un long axone et des dendrites ramifi es, qui tablissent toutes deux de nombreuses connexions synaptiques avec d'autres cellules (Figure 21-66). Le principal d fi du d veloppement neuronal est d'expliquer comment les axones et les dendrites se d veloppent, trouvent leurs bons partenaires et font synapse avec eux de mani re s lective pour cr er un r seau neuronal un syst me de signalisation lectrique qui fonctionne correctement pour guider le comportement (Figure 21-67). Le probl me est redoutable : le cerveau humain contient plus de 1011 neurones, chacun d'entre eux devant faire des connexions avec un millier d'autres, selon un sch ma de c blage r gulier et pr visible. La pr cision requise n'est pas aussi grande que dans un ordinateur fabriqu par l'homme, car le cerveau effectue ses calculs d'une mani re diff rente et est plus tol rant aux al as des composants individuels. Mais le cerveau humain surpasse n anmoins toutes les autres structures biologiques dans sa complexit organis e. Les composants d'un syst me nerveux typique les diff rentes classes de neurones, de cellules gliales, de cellules sensorielles et de muscles proviennent d'un certain nombre d'endroits tr s s par s de l'embryon. Ainsi, dans la premi re phase du d veloppement neuronal, les diff rentes parties du syst me nerveux se d veloppent selon leurs propres programmes locaux : les neurones naissent et se voient attribuer des caract res sp cifiques en fonction du lieu et du moment de leur naissance, sous le contr le de signaux inductifs et de r gulateurs de transcription, par des m canismes des types que nous avons d j voqu s. Dans la phase suivante, les neurones nouveau-n s tendent les axones et les dendrites le long de routes sp cifiques vers leurs cellules cibles, guid s par des signaux extracellulaires qui les attirent ou les repoussent. Dans la troisi me phase, les neurones forment des synapses avec d'autres neurones ou cellules musculaires, tablissant un r seau provisoire mais ordonn de connexions. Dans la phase finale, qui se poursuit jusqu' l' ge adulte, les connexions synaptiques sont ajust es et affin es par des m canismes qui d pendent g n ralement de la signalisation synaptique entre les cellules impliqu es Les branches terminales de l'axone font des synapses de 25 m sur les cellules cibles Figure 21 66 Un neurone typique d'un vert br . Les fl ches indiquent la direction dans laquelle les signaux sont transmis. Le neurone repr sent est une cellule panier, un type de neurone dans le cervelet. (adapt de S. ram n y cajal, histologie du Syst me Nerveux de l'homme et des Vert br s, 1909 1911. paris : Maloine ; r imprim , Madrid : c.S.I.c., 1972.) Figure 21 67 L'organisation complexe des connexions des cellules nerveuses. ce dessin repr sente une coupe travers une petite partie du cerveau d'un mammif re le bulbe olfactif d'un chien color par la technique de Golgi. Les objets noirs sont des neurones ; Les lignes fines sont des axones et des dendrites, travers lesquels les diff rents ensembles de neurones sont interconnect s selon des r gles pr cises. (D'apr s c. Golgi, Riv. sper. freniat. Reggio-Emilia 1:405 425, 1875.) (Figure 21 68). tous les stades, les neurones sont en contact intime avec divers types de cellules de soutien non neuronales, les cellules gliales. Les neurones se voient attribuer diff rents caract res selon le moment et le lieu de leur naissance Nous commen ons notre compte ici par la premi re phase du d veloppement neuronal : la g n ration de prog niteurs neuronaux et leur diff renciation en centaines de sous-types neuronaux diff rents, ainsi qu'en un nombre beaucoup plus petit de types gliaux. Bien que le syst me nerveux soit exceptionnel dans l' tendue de la diversit cellulaire, le processus d pend des m mes principes qui g n rent diff rents types de cellules dans d'autres organes. Nous avons d j discut de certaines des machines sous-jacentes du syst me nerveux de la drosophile en d veloppement. Nous nous tournons maintenant vers les vert br s. La moelle pini re des vert br s, le cerveau et la r tine de l' il constituent ensemble le syst me nerveux central (SNC). Ils proviennent tous de parties du tube neural, dont la formation a t d crite plus haut (voir Figure 21-56). Le cerveau et les yeux se d veloppent partir du tube neural ant rieur et la moelle pini re partir de la post rieure. L'anatomie du d veloppement est visible dans sa forme la plus simple dans la moelle pini re. Au fur et mesure qu'il se d veloppe, l' pith lium formant les parois du tube neural post rieur s' paissit norm ment mesure que les
Biologie moléculaire de la cellule	cellules prolif rent et se diff rencient, cr ant une structure hautement organis e de neurones et de cellules gliales, entourant un petit canal central. Des bandes de neurones ayant des fonctions futures diff rentes et exprimant diff rents g nes sont dispos es le long de l'axe dorso-ventral du tube. Les motoneurones (ceux qui contr lent les muscles) sont situ s ventralement, tandis que les neurones qui traitent les informations sensorielles se trouvent dorsalement. Ce mod le est tabli par des gradients oppos s de morphog nes. Celles-ci sont s cr t es par des groupes sp cialis s de cellules qui s' tendent sur toute la longueur des lignes m dianes ventrales et dorsales du tube neural (Figure 21-69). Les deux gradients morphog nes compos s de la prot ine Sonic Hedgehog de la source ventrale et de BMP et Wnt de la source dorsale aident induire diff rents groupes de cellules prog nitrices neurales prolif rantes et diff rencier les neurones pour exprimer diff rentes combinaisons de r gulateurs de transcription. Ces r gulateurs entra nent leur tour la production de diff rentes combinaisons de neurotransmetteurs, de r cepteurs, de prot ines d'adh sion cellule-cellule et d'autres mol cules, cr ant des neurones diff renci s en phase terminale qui formeront des connexions synaptiques de mani re s lective avec les bons partenaires et changeront des signaux appropri s avec eux. gen se des neurones excroissance des axones et des dendrites formation des synapses Figure 21 68 Les quatre phases du d veloppement neuronal. r f rence des connexions synaptiques 1200 Chapitre 21 : D veloppement des organismes multicellulaires Lumi re de groupes de tubes neuraux diff renciant les neurones de la plaque et de la notocorde (ventricule) Les gradients morphog nes extracellulaires, cependant, ne sont pas le seul moyen de g n rer de la diversit cellulaire. Comme nous l'avons vu plus t t dans notre discussion sur les neuroblastes de la drosophile (voir Figure 21-36), diff rents types de cellules peuvent galement tre g n r s par un motif temporel, dans lequel un programme intracellulaire modifie le caract re d'une cellule prog nitrice au fil du temps, donnant naissance diff rents types de cellules au fur et mesure que le d veloppement progresse. Ce m canisme semble galement fonctionner dans la neurogen se des vert br s. L'illustration la plus frappante provient de l' tude d'une autre partie du SNC : le cortex c r bral des mammif res. Bien que le cortex c r bral soit la structure la plus complexe du corps humain, il a un d but simple : le tube neural ant rieur. Comme dans la moelle pini re, les cellules qui forment les parois du tube prolif rent, et le neuro pith lium s' paissit et se dilate en se dilavan ant. Selon un calendrier pr visible, les divisions des cellules neuro pith liales commencent produire une succession de cellules engag es dans la diff renciation terminale en tant que neurones. Ces futurs neurones naissent proximit de la lumi re (la cavit centrale) du tube. De l , ils migrent vers l'ext rieur, perdant leur attachement la surface lumineuse et rampant vers l'ext rieur le long des cellules voisines qui continuent couvrir toute l' paisseur du neuro pith lium. Ces derni res cellules neuro pith liales ont une double fonction, fonctionnant comme prog niteurs des neurones et de la glie, et comme supports de l'architecture pith liale. Elles s' tirent sous forme de cellules gliales radiales, formant un chafaudage qui continue couvrir le neuro pith lium m me si celui-ci atteint une norme paisseur (Figure 21 70). Dans le m me temps, les cellules gliales radiales continuent de se diviser en tant que pr curseurs neuraux, donnant naissance la fois aux neurones et aux cellules gliales de nouvelles cellules gliales radiales ainsi que des cellules gliales d'autres types. Les neurones nouveau-n s, migrant le long des cellules gliales radiales, trouvent leurs lieux de repos appropri s dans le cortex en d veloppement, o ils m rissent, et partir de ces sites, ils envoient leurs axones et leurs dendrites. Les neurones premiers-n s s'installent le plus pr s de leur lieu de naissance, pr s de la lumi re, tandis que les neurones n s plus tard rampent devant eux pour s'installer plus loin (Figure 21 71). Les g n rations successives de neurones s'accumulent ainsi en une s rie de couches corticales, class es par date de naissance et dot es de diff rents caract res intrins ques. Il est frappant de constater que les cellules prog nitrices corticales uniques isol es en culture g n rent des types distincts de neurones corticaux et de cellules gliales, avec le moment et les caract ristiques appropri s des couches corticales sp cifiques. Ces observations sugg rent que les prog niteurs neuraux du cortex des mammif res en d veloppement, tout comme les neuroblastes de la drosophile, passent par un programme de d veloppement intracellulaire qui g n re la succession ordonn e de diff rents types de cellules ner
Biologie moléculaire de la cellule	veuses. Figure 21 69 Coupe transversale sch matique de la moelle pini re d'un embryon de poussin, montrant comment les cellules diff rents niveaux le long de l'axe dorso-ventral acqui rent diff rents caract res. (a) Signaux qui dirigent le motif dorso-ventral. Les prot ines Sonic Hedgehog de la notocorde et de la plaque de sol (la ligne m diane ventrale du tube neural) et les prot ines BMp et Wnt de la plaque de toit (la ligne m diane dorsale) agissent comme des morphog nes pour contr ler l'expression des g nes. (B) les mod les r sultants du destin cellulaire dans la moelle pini re en d veloppement. Diff rents groupes de cellules prog nitrices neurales prolif rantes (dans la zone ventriculaire, pr s de la lumi re du tube neural) et de neurones diff renciateurs (dans la zone du manteau, plus loin) expriment diff rentes combinaisons de r gulateurs de transcription. Les neurones exprimant diff rents r gulateurs de transcription formeront des connexions avec diff rents partenaires et peuvent faire diff rentes combinaisons de neurotransmetteurs et de r cepteurs. Les couleurs repr sentent diff rents types de cellules et combinaisons de prot ines r gulatrices. surface externe de la cellule corps de la cellule gliale radiale surface interne du tube neural en d veloppement 10 m le c ne de croissance pilote les axones le long de routes sp cifiques vers leurs cibles Selon le caract re qui lui est attribu au cours de son d veloppement pr coce, un neurone va proc der l' tablissement de liens avec des partenaires sp cifiques. Cette phase du d veloppement neuronal implique un type de morphogen se unique au syst me nerveux, dans lequel les axones et les dendrites s' tendent le long de routes sp cifiques vers leurs cellules cibles. Un neurone typique envoie un long axone et de nombreuses dendrites, qui sont g n ralement plus courtes. L'axone se projette vers des cellules cibles distantes auxquelles le neurone enverra ventuellement des signaux. Les dendrites recevront des signaux entrants des terminaisons axonales d'autres neurones. Les axones et les dendrites s' tendent par croissance leur extr mit , o l'on voit un largissement irr gulier et pointu appel c ne de croissance (Figure 21-72 et vid o 21.6). Le c ne de croissance est la fois le moteur qui produit le mouvement de rampement et l'appareil de direction qui dirige la pointe le long de la bonne trajectoire. La machinerie cytosquelettique dans le c ne de croissance cr e des protub rances actives, sous la forme de filopodes et de lamellipodes (voir le chapitre 16 pour plus de d tails) : lorsqu'une telle saillie couche de neurones corticaux Figure 21 70 Migration des neurones immatures. Avant d'envoyer des axones et des dendrites, les neurones nouveau-n s migrent souvent de leur lieu de naissance et s'installent dans un autre endroit. Les diagrammes sont bas s sur des reconstructions de sections du cortex c r bral (partie du tube neural) d'un singe et reposent sur une technique de coloration qui s lectionne au hasard un petit sous-ensemble de l'ensemble de la masse dense de cellules neuro pith liales. Les neurones passent par leur division cellulaire finale pr s de la face interne et lumineuse du tube neural (dans la zone prolif rative ventriculaire), puis migrent vers l'ext rieur en rampant le long de cellules gliales radiales qui forment un chafaudage. Chacune de ces derni res cellules s' tend de la surface interne la surface externe du tube, une distance qui peut atteindre 2 cm dans le cortex c r bral du cerveau en d veloppement d'un primate. Les cellules gliales radiales peuvent tre consid r es comme des cellules persistantes de l' pith lium cylindrique d'origine du tube neural qui deviennent extraordinairement tir es mesure que la paroi du tube s' paissit. Ils servent galement de cellules souches neurales : selon le stade et la r gion, les neurones nouveau-n s peuvent tre g n r s partir de cellules gliales radiales qui subissent une mitose alors que leurs noyaux sont proches de la surface interne du tube, ou ils peuvent tre g n r s partir d'une classe voisine de prog niteurs sp cialis s dans la zone prolif rative ventriculaire. (d'apr s p. rakic, J. Comp. Neurol. 145:61 84, 1972. Avec la permission de John Wiley & Sons, Inc.) Figure 21 71 Production programm e de diff rents types de neurones diff rents moments partir de prog niteurs en division dans le cortex c r bral du cerveau d'un mammif re. Pr s d'une face du neuro pith lium cortical, les cellules prog nitrices se divisent, la mani re des cellules souches, pour produire des g n rations successives de neurones (color s ici en bleu, vert, rouge, orange et noir). les neurones migrent vers la face oppos e de l' pith lium en rampant le long des surfaces des cellules gliales radiales, comme le montre la figure 21-70. Les neurones premiers-n s s'installent le plus pr s de leur lieu de naissance, tandis que les neurones n s plus tard rampent devant eux pour s'installer plus loin.
Biologie moléculaire de la cellule	Les g n rations successives de neurones occupent ainsi diff rentes couches du cortex et ont des caract res intrins ques diff rents selon leur date de naissance. entre en contact avec une surface d favorable, il se retire ; Lorsqu'il entre en contact avec une surface plus favorable, il persiste plus longtemps, orientant le c ne de croissance dans cette direction. De cette fa on, le c ne de croissance est guid par de subtiles variations dans les propri t s des surfaces sur lesquelles il se d place. En m me temps, il est sensible des mol cules de signalisation sp cifiques, ce qui, comme nous le verrons ci-dessous, peuvent encourager ou entraver sa progression. a Vari t de signaux extracellulaires Guident les axones vers leurs cibles Les c nes de croissance se d placent g n ralement vers leurs cibles le long de routes pr visibles, selon des programmes stock s dans la m moire du neurone particulier auquel ils appartiennent (Vid o 21.7). Dans le cas le plus simple, un c ne de croissance peut emprunter un chemin qui a t ouvert par d'autres neurites, qu'ils suivent par contact. En cons quence, les fibres nerveuses d'un animal mature se trouvent g n ralement regroup es en faisceaux parall les serr s (appel s fascicules ou faisceaux de fibres). Un tel rampement des c nes de croissance le long des axones est en partie m di par des mol cules d'adh sion homophiles entre cellules des glycoprot ines membranaires qui aident une cellule qui les affiche adh rer toute autre cellule qui pr sente les m mes mol cules. Comme nous l'avons vu au chapitre 19, de nombreuses mol cules d'adh sion homophiles appartiennent l'une des deux classes principales suivantes : elles appartiennent soit la superfamille des immunoglobulines, comme la N-CAM, soit la famille des cadh rines d pendantes du Ca2+, comme la N-cadh rine. Les membres des deux familles sont g n ralement pr sents la surface des c nes de croissance, des axones et de divers autres types de cellules sur lesquelles rampent les c nes de croissance, y compris les cellules gliales du syst me nerveux central et les cellules musculaires la p riph rie du corps. Les c nes de croissance migrent galement sur les composants de la matrice extracellulaire. Lorsqu'elles sont test es avec des neurones se d veloppant dans une bo te de culture, certaines des mol cules matricielles, telles que la laminine, favorisent la croissance des axones, tandis que d'autres, telles que les prot oglycanes de sulfate de chondro tine, la d couragent. Mais il reste d couvrir exactement comment la matrice fonctionne pour guider les axones chez les animaux intacts. Les c nes de croissance sont g n ralement guid s par une succession de signaux diff rents diff rentes tapes de leur parcours, comme le r sume la figure 21-73. Beaucoup de ces signaux impliquent des mol cules de signalisation sp cifiques. Certains d'entre eux se rencontrent dans la matrice extracellulaire, tandis que d'autres sont attach s la membrane plasmique des cellules que les c nes de croissance touchent. Un autre r le important est jou par les facteurs chimiotactiques ; Il s'agit de prot ines s cr t es par des cellules qui agissent comme des balises des points strat giques le long du chemin, certaines attirant, d'autres horrible. La trajectoire des axones commissuraux des axones qui traversent d'un c t l'autre du corps fournit un exemple bien tudi . Les axones commissuraux sont une caract ristique g n rale des animaux sym trie bilat rale, comme nous, car ils sont n cessaires pour coordonner le comportement des deux c t s du corps. Dans la moelle pini re en d veloppement d'un vert br , par exemple, un grand nombre de neurones envoient leurs c nes de croissance axonale ventralement vers la plaque de sol (la m me structure que nous avons rencontr e pr c demment comme source du morphog ne Sonic hedgehog voir Figure 21-69). Les c nes de croissance traversent la plaque de sol, puis tournent brusquement angle droit pour suivre un chemin longitudinal vers le cerveau, parall lement la plaque de sol mais ne la traversant plus jamais (Figure 21 74). La premi re tape du voyage d pend d'un gradient de concentration de la prot ine signal Netrin, s cr t e par les cellules de la plaque de sol : les c nes de croissance commissurales reniflent leur chemin vers sa source. Figure 21 72 Architecture interne d'un c ne de croissance neuronale, telle qu'elle est observ e en culture sur un substrat plat. Le c ne de croissance se forme comme une expansion de l'extr mit de l'axone en croissance. (a) Image par microscopie contraste d'interf rence. (B) Immunomarquage pour montrer les microtubules (vert). (c) Immunomarquage pour montrer les filaments d'actine (rouge). (D) Sch ma de la machinerie cytosquelettique. Les filopodes se forment et poussent vers l'avant par l'assemblage de filaments d'actine sur le bord d'attaque du c ne de croissance. Les microtubules stabilisent les d cisions directionnelles prises par
Biologie moléculaire de la cellule	les protub rances riches en actine. Les filopodia adh rant au substrat plat se contractent et tirent le c ne de croissance vers l'avant. (Images de chi-hung Lin, Paul Forscher Laboratory, Yale University, New Haven, CT.) Si les c nes de croissance commissurales sont attir s par la plaque de sol, pourquoi la traversent-ils et mergent-ils de l'autre c t , au lieu de rester dans le territoire attrayant ? Et apr s l'avoir travers e, pourquoi ne repartent-ils plus jamais ? Les r ponses r sident dans une modification de la r activit des c nes de croissance au cours de leur parcours. Lorsque les c nes de croissance franchissent la ligne m diane, ils perdent leur sensibilit la n trine et deviennent sensibles une prot ine signal appel e fente (voir Figure 21-74). La fente est galement produite par la plaque de sol, mais elle a l'effet inverse de celui de la n trine : elle repousse la croissance Figure 21 74 Le guidage des axones commissurals. a) la voie emprunt e par les axones commissuraux dans la moelle pini re embryonnaire d'un vert br . (B) l'attraction vers la ligne m diane. le c ne de croissance est d'abord attir vers la plaque de sol par la n trine, qui est s cr t e par les cellules de la plaque de sol et agit sur le r cepteur Dcc dans la membrane axonale. (c) r pulsion de la ligne m diane apr s l'avoir franchie. lorsque le c ne de croissance traverse la plaque de sol, Slit entre en jeu : il se lie ses r cepteurs robo1 et robo2 et agit comme un r pulsif pour emp cher le c ne de croissance de rentrer dans la plaque de sol. De plus, il bloque la r activit l'attractif Netrin. Avant de traverser la ligne m diane, les neurones commissuraux expriment robo3.1, une forme alternative d' pissage de robo3 qui est apparent e aux prot ines robo mais bloque la signalisation Slit. lorsque les neurites traversent la ligne m diane, robo3.1 est perdu et les c nes de croissance deviennent r actifs Slit et sont repouss s de la ligne m diane. c nes, les emp chant de rentrer dans le territoire de la ligne m diane. Les r ponses du c ne de croissance d pendent des r cepteurs qu'il exprime : lorsque les neurones commissuraux s'approchent de la plaque de sol, les r cepteurs Slit sont maintenus inactifs par une prot ine inhibitrice (Robo3.1) dans la m me membrane, permettant aux axones commissuraux de se d velopper jusqu' la ligne m diane sans tre repouss s. Robo3.1 est perdu lorsque les c nes de croissance traversent la ligne m diane ; maintenant, les c nes de croissance deviennent sensibles la r pulsion de Slit et sont ainsi emp ch s de repasser de l'autre c t . Dans le m me temps, les signaux des r cepteurs Slit interf rent avec ceux des r cepteurs Netrin, rendant les c nes de croissance sourds au signal qui les a initialement attir s vers la plaque de sol. Un m canisme similaire, utilisant des prot ines similaires, semble r gir le croisement m dian des axones commissuraux chez d'autres animaux, y compris les mouches et les vers. Le guidage des axones commissuraux illustre comment les axones naviguent rarement directement vers leurs cibles. Au lieu de Ils utilisent des cibles interm diaires, ou poteaux indicateurs, et changent de sensibilit lorsqu'ils se d placent d'un poteau indicateur local l'autre, se frayant un chemin travers un environnement complexe vers une destination lointaine. la formation de cartes neuronales ordonn es d pend de la sp cificit neuronale Dans de nombreux cas, les neurones d'un type similaire sont dispos s dans un large ventail de positions diff rentes, mais envoient des axones qui se rassemblent pour leur voyage et arrivent la r gion cible en un faisceau serr . L , les axones se dispersent nouveau, pour se terminer diff rents endroits du territoire cible. Ils le font de mani re ordonn e, en cr ant une cartographie r guli re d'un territoire un autre une carte neuronale. La projection axonale de l' il vers le cerveau en fournit un exemple important. Les neurones de la r tine qui transmettent des informations visuelles au cerveau sont appel s cellules ganglionnaires r tiniennes (CGR). Il y en a plus d'un million chez l'homme, chacun rapportant une partie diff rente du champ visuel. Leurs axones convergent vers la t te du nerf optique l'arri re de l' il et voyagent ensemble le long du nerf optique en d veloppement vers le cerveau. Leur principal site de terminaison, chez la plupart des vert br s autres que les mammif res, est le tectum optique, une vaste tendue de cellules dans le m senc phale. En se connectant avec les neurones tectals, les axones RGC se distribuent selon un sch ma pr visible en fonction de la disposition de leurs corps cellulaires dans la r tine : les RGC qui sont voisines dans la r tine se connectent aux cellules cibles qui sont voisines dans le tectum. La projection ordonn e cr e une carte r tinotopique de l'espace visuel sur le tectum (Figure 21 75). Des cartes ordonn es de ce type se trouvent dans de nombreuses r gions du cerveau. Dans le
Biologie moléculaire de la cellule	syst me auditif, par exemple, les neurones qui se projettent de l'oreille vers le cerveau forment une carte tonotopique dans laquelle les cellules c r brales recevant des informations sur des sons de diff rentes hauteurs sont ordonn es le long d'une ligne, comme les touches d'un piano. Et dans le somatosensoriel Figure 21 75 La carte neuronale de l' il au cerveau chez un jeune poisson-z bre. (a) Vue sch matique, en regardant vers le bas sur le sommet de la t te. (B) Micrographie fluorescence. Des colorants traceurs fluorescents ont t inject s dans chaque il rouge dans la partie ant rieure, vert dans la partie post rieure. Les mol cules traceurs ont t absorb es par les neurones de la r tine et transport es le long de leurs axones, r v lant les chemins qu'ils empruntent vers le tectum optique dans le cerveau et la carte qu'ils y forment. (avec l'aimable autorisation de chi-Bin chien, de D.h. Sanes, t.a. reh et W.a. Harris, Development of the Nervous System. San Diego, ca : presse universitaire, 2000.) organes g nitaux jambe orteilpied intra-abdominalalpharynx langue dents, gencives et m choirel vre inf rieure l vres l vre sup rieure visagenez ilpouceindexmilieumilieumilieumainpoignetavantbrasbras paulet tectron on Figure 21 76 Une carte de la surface du corps dans le cerveau humain. La surface du corps est cartographi e sur la r gion somatosensorielle du cortex c r bral en utilisant un syst me ordonn de connexions cellulaires nerveuses pour apparier les sites du corps avec les sites c r braux qui re oivent leurs informations sensorielles. Cela signifie que la carte dans le cerveau est largement fid le la topologie de la surface du corps, m me si diff rentes r gions du corps sont repr sent es des grossissements diff rents en fonction de leur densit d'innervation. L'homoncule (le petit homme dans le cerveau) a de grandes l vres, par exemple, parce que les l vres sont une source particuli rement grande et importante d'informations sensorielles. La carte a t d termin e en stimulant diff rents points dans le cortex de patients conscients pendant une chirurgie c r brale et en enregistrant ce qu'ils ont dit ressentir. (d'apr s W. Penfield et T. Rasmussen, le cortex c r bral de l'Homme. New York : Macmillan, 1950.) syst me, les neurones transmettant des informations sur la cartographie tactile sur le cortex c r bral de mani re marquer un homoncule une petite image bidimensionnelle d form e de la surface du corps (Figure 21-76). La carte r tinotopique de l'espace visuel dans le tectum optique est la mieux caract ris e de toutes ces cartes. Comment cela se produit-il ? Une exp rience c l bre dans les ann es 1940 sur des grenouilles a fourni un indice important. Si le nerf optique d'une grenouille est coup , elle se r g n rera. Les axones r tiniens repoussent jusqu'au tectum optique, r tablissant une vision normale. Si, toutefois, l' il est en outre tourn dans son orbite au moment de la coupe du nerf, de mani re mettre l'origine cellules r tiniennes ventrales en position de cellules r tiniennes dorsales, la vision est toujours restaur e, mais avec un d faut g nant : l'animal se comporte comme s'il voyait le monde l'envers et de gauche droite invers (Figure 21-77). Si de la nourriture est suspendue devant lui, par exemple, il s' lancera perversement en arri re. C'est parce que les cellules r tiniennes mal plac es tablissent les connexions appropri es leurs positions d'origine, et non leurs positions r elles. Il semble que les cellules ganglionnaires de la r tine (CGR) aient des valeurs de position, des propri t s biochimiques sp cifiques la position repr sentant des enregistrements de leur emplacement d'origine dans la r tine, attribu es peut- tre par des gradients morphog niques ant rieurs, et rendant les CGR des c t s oppos s de la r tine intrins quement diff rents. Une telle non- quivalence entre les neurones est appel e sp cificit neuronale. C'est cette caract ristique intrins que qui guide les axones r tiniens vers leurs sites cibles appropri s dans le tectum. Ces sites cibles se distinguent eux-m mes par la Figure 21 77 Les neurones de diff rentes r gions de la r tine projettent des axones vers diff rentes r gions du tectum. Les neurones (rGcs) de la r tine ant rieure projettent des axones vers le tectum post rieur (comme le montrent les figures 21 75 pour le poisson z bre). Les exp riences de r g n ration montrent que les neurones r tiniens ont une pr f rence intrins que pour la partie du tectum laquelle ils se connectent normalement. Si l' il est tourn chirurgicalement lorsque le nerf optique est coup , les axones r tiniens en r g n ration se connectent leurs cibles d'origine, cr ant une carte invers e. (d'apr s e. Kandel et al., principles of Neural Science, 5e d., New York : McGraw Hill Medical, 2012.) Figure 21 78 S lectivit des axones r tiniens en croissance sur les membranes tectales. a) Sch ma d'une exp rience r alis e avec des cellules d'un
Biologie moléculaire de la cellule	embryon de poulet. Le substrat de culture est recouvert d'une alternance de bandes membranaires pr par es soit partir du tectum post rieur, soit partir du tectum ant rieur. Les axones de la r tine post rieure se d veloppent sur la membrane tectale ant rieure mais sont repouss s par la membrane tectale post rieure. Les axones de la r tine ant rieure pr sentent un comportement diff rent (moins s lectif). (B) photographie des r sultats. Les axones r tiniens, qui poussent partir de la gauche, sont rendus visibles en les colorant avec un marqueur fluorescent. Le mod le s lectif de l'excroissance montre que le tectum ant rieur diff re du tectum post rieur, et que la r tine ant rieure diff re en cons quence de la r tine post rieure. Dans l'organisme intact, cela sert orienter une carte r tinotopique ; La carte est affin e par les interactions comp titives ult rieures entre les axones r tiniens ant rieurs et post rieurs, qui poussent les cellules r tiniennes ant rieures hors du territoire tectal ant rieur. (D'apr s J. Walter et al., Development 101:685-696, 1987.Avec la permission de la soci t de biologistes.) axones r tiniens parce que les cellules tectales portent galement des tiquettes de position. Ainsi, la carte neuronale d pend d'une correspondance entre deux syst mes de marqueurs de position, l'un dans la r tine et l'autre dans le tectum. Comment ces marqueurs sont-ils utilis s pour faire la carte ? Lorsque les axones post rieurs sont laiss s pousser sur un tapis de membranes tectales ant rieures ou post rieures dans une bo te de culture, ils montrent une s lectivit . Les axones post rieurs pr f rent fortement les membranes tectales ant rieures, comme in vivo, tandis que les axones ant rieurs ne montrent aucune pr f rence ou pr f rent les membranes tectales post rieures (Figure 21-78). La principale diff rence entre le tectum ant rieur et post rieur n'est pas un facteur d'attraction sur le tectum ant rieur, mais un facteur r pulsif sur le tectum post rieur, auquel les axones r tiniens post rieurs sont sensibles mais pas les axones r tiniens ant rieurs. Si un c ne de croissance r tinien post rieur touche la membrane tectale post rieure, il affale ses filopodes et se retire. Dans ce syst me, comme dans d'autres que nous avons mentionn s, les interactions r pulsives sont m di es par la signalisation phrine-Eph, en particulier, la signalisation EphrinA-EphA pour l'axe ant ropost rieur (Figure 21-79). Un m canisme analogue bas sur la signalisation EphB-EphrinB oriente l'axe dorso-ventral de la carte r tinotopique. Ces m canismes servent orienter la carte le long des deux axes, mais ils ne sont pas suffisants eux seuls pour assurer des d tails pr cis point point. Ceci est rendu possible par un long processus d'ajustement qui remplit et affine la carte gr ce aux interactions entre les terminaux axonaux du RGC alors qu'ils se disputent le territoire sur le tectum. Ce raffinement du mod le de connexions implique une signalisation lectrique dans le syst me de d veloppement des synapses un sujet sur lequel nous reviendrons sous peu. Les dendrites et les branches axonales du m me neurone s' vitent mutuellement Les axones et les dendrites de diff rents neurones peuvent se repousser ou tre coh rents ; Ils peuvent collaborer pour former des synapses, ou ils peuvent rivaliser. Remarquablement Figure 21 79 La signalisation de l' phrine oriente la carte r tinotopique. (a) Les neurones de la r tine post rieure expriment epha. Lorsque leurs axones atteignent le tectum, ils sont repouss s par des niveaux lev s de prot ine Ephrina dans le tectum post rieur et se projettent pr f rentiellement vers le tectum ant rieur. (B) Chez les souris pha-mutantes, les axones r tiniens post rieurs ne ressentent pas une telle r pulsion et se projettent plus largement dans le tectum. (d'apr s e. Kandel et al., principles of Neural Science, 5e d., New York : McGraw Hill Medical, 2012.) Les axones ou les dendrites peuvent galement se repousser lorsqu'ils proviennent d'un seul neurone. Un tel vitement de soi emp che le neurone de faire des synapses sans but avec lui-m me ; Il aide galement la cellule taler largement ses processus afin d'innerver un large territoire. L'auto- vitement pose un probl me. Si la m me mol cule d'auto-reconnaissance tait utilis e dans chaque neurone, tous les neurones du cerveau se repousseraient les uns les autres. Certaines classes de neurones montrent ce type de r pulsion mutuelle, cr ant des territoires solitaires un ph nom ne appel pavage ; Mais dans la plupart des cas, les axones et les dendrites de diff rents neurones peuvent se chevaucher. Comment alors les processus mis en uvre par un seul neurone peuvent-ils faire la distinction entre le soi et le non-soi ? Cette nigme a t partiellement r solue par la d couverte d'un ensemble remarquable de prot ines qui dotent chaque neurone d'une tiquette diff rente de celle de ses voisins. Il s'agit des prot ines DSCAM chez la d
Biologie moléculaire de la cellule	rosophile et des protocadh rines chez les vert br s. Comme d crit au chapitre 7, les prot ines DSCAM sont extraordinaires par le nombre d'isoformes qui peuvent tre g n r es par l' pissage alternatif de l'ARN plus de 30 000 variantes pour DSCAM1 (voir Figure 7-57). La diversit provient d'exons alternatifs qui codent pour trois domaines d'immunoglobulines extracellulaires tr s variables. Chaque isoforme DSCAM1 s'engage dans une liaison homophile (voir Figure 19 5), mais remarquablement, tous les domaines variables doivent tre identiques pour que cela se produise. Ainsi, une surface cellulaire ne se liera une autre via DSCAM que lorsque les deux surfaces cellulaires expriment des isoformes identiques. Le r sultat de la liaison est la r pulsion, bien que les m canismes d taill s soient mal compris. Si l' pissage alternatif se produit de mani re al atoire dans chaque cellule, il est peu probable que les processus voisins de diff rents neurones expriment la m me variante DSCAM1, de sorte que seuls les processus de la m me cellule se repousseront les uns les autres. Les neurones qui n'ont pas toutes les variantes de DSCAM1 pr sentent de graves d fauts d'auto- vitement neuronal. Concevoir la drosophile pour que tous ses neurones produisent une seule isoforme restaure l'auto- vitement ; mais maintenant, les processus des neurones voisins expriment la m me isoforme et se repoussent mutuellement, ce qui entra ne le ph nom ne de pavage (Figure 21-80). Les neurones vert br s utilisent une strat gie d'auto- vitement similaire pour modeler leurs axones et leurs dendrites, mais au lieu de DSCAM, ils utilisent des protocadh rines pour la discrimination entre soi et non-soi. Le locus de protocadh rine code pour 58 prot ines transmembranaires apparent es de type cadh rine qui sont exprim es dans diff rentes combinaisons dans des neurones uniques. La reconnaissance homophile entra ne l'auto- vitement des dendrites manant du m me neurone ; Les dendrites voisines de diff rents neurones expriment diff rentes protocadh rines et chappent ainsi la r pulsion. Ainsi, bien que les prot ines DSCAM d'insectes et de protocadh rine des vert br s ne partagent aucune homologie de s quence, elles interviennent dans des strat gies d'auto- vitement similaires. Finalement, les c nes de croissance axonale atteignent la r gion cible o ils doivent s'arr ter et faire des synapses. Ces synapses, en r gle g n rale, sont destin es transmettre des signaux neuronaux dans une direction, de l'axone la cellule cible. Le d veloppement des synapses, cependant, d pend de la signalisation dans les deux sens : les signaux du tissu cible aident non seulement contr ler o se trouvent les c nes de croissance synaptiques (comme nous le verrons bient t), mais peuvent galement r guler la survie des neurones innervants. De nombreux types de neurones vert br s sont produits en exc s ; Jusqu' 50 % ou plus de certains d'entre eux meurent peu de temps apr s avoir atteint leur cible, m me s'ils semblent parfaitement normaux et en bonne sant jusqu'au moment de leur mort. Environ la moiti de tous les motoneurones qui envoient des axones aux muscles squelettiques, par exemple, meurent quelques jours apr s tre entr s en contact avec leurs cellules musculaires cibles. Une proportion similaire de neurones sensoriels qui innervent la peau meurent apr s l'arriv e de leurs c nes de croissance. Cette mort neuronale normale grande chelle semble souvent refl ter le r sultat d'une comp tition, dans laquelle le tissu cible lib re une quantit limit e d'un facteur neurotrophique sp cifique dont les neurones innervant le tissu ont besoin pour survivre ; Ceux qui n'en ont pas assez meurent par mort cellulaire programm e. Si la quantit de tissu cible est augment e, par exemple en greffant un bourgeon de membre suppl mentaire sur le c t de l'embryon, davantage de neurones innervants survivent ; l'inverse, si le bourgeon du membre est coup , les m mes neurones meurent tous (Figure 21-81). De cette fa on, bien que les individus puissent varier dans leurs proportions corporelles, ils conservent toujours le bon nombre de motoneurones pour innerver tous leurs muscles et le bon nombre de neurones sensoriels pour innerver leur surface corporelle. La strat gie de surproduction suivie de la mort des cellules exc dentaires peut sembler inutile, mais elle fournit un moyen simple et efficace d'ajuster le nombre de neurones innervants en fonction de la quantit de tissu n cessitant une innervation. Le premier facteur neurotrophique avoir t identifi , et toujours le mieux caract ris , est appel facteur de croissance nerveuse (NGF), le membre fondateur de la famille des neurotrophines. Il favorise la survie et la croissance de classes sp cifiques de neurones sensoriels et de neurones sympathiques (une sous-classe de neurones p riph riques qui contr lent les contractions des muscles lisses et la s cr tion des glandes exocrines). Figure 21 80 Le DSCAM m die l'auto- vi
Biologie moléculaire de la cellule	tement des dendrites. (a) Les neurones sensoriels du syst me nerveux p riph rique de la drosophile tendent les dendrites le long de la paroi du corps larvaire. L'image montre les dendrites d'un r seau r gulier de neurones photosensibles (rouge), qui permettent la larve de d tecter et d' viter la lumi re nocive. Les cellules pidermiques post rieures de chaque segment sont tiquet es en bleu. Il y a beaucoup de neurones, et ceux montr s ici tendent leurs dendrites dans des champs qui se chevauchent. (B) Les mutations au locus de Dscam perturbent la fa on dont les diff rentes dendrites interagissent, modifiant les r gles d'auto- vitement et la distribution de l'innervation. (A, avec l'aimable autorisation de Chun Han ; B, d'apr s D. hattori et al., Annu. Rev. Cell Dev. Biol. 24:597-620, 2008. Avec l'autorisation des revues annuelles.) Section de la moelle pini re de poussin de 2,5 jours Section de la moelle pini re de poussin de 9 jours (A) Le NGF est produit par les tissus que ces neurones innervent. Lorsque du NGF suppl mentaire est fourni, des neurones sensoriels et sympathiques suppl mentaires survivent, tout comme si du tissu cible suppl mentaire tait pr sent. l'inverse, chez une souris avec une mutation qui inactive le g ne du NGF ou de son r cepteur (un r cepteur tyrosine kinase appel TrkA), presque tous les neurones sympathiques et les neurones sensoriels d pendants du NGF sont perdus. Il existe de nombreux facteurs neurotrophiques, dont seuls quelques-uns appartiennent la famille des neurotrophines, et ils agissent dans diff rentes combinaisons pour favoriser la survie et la croissance de diff rentes classes de neurones. La formation des synapses d pend de la communication bidirectionnelle entre les neurones et leurs cellules cibles la fin du voyage, la t che d'un c ne de croissance est d'arr ter ses d placements et de faire des synapses avec des cellules cibles sp cifiques. Les synapses ont t introduites dans le chapitre 11, o nous avons discut des canaux et des propri t s lectriques des membranes. Deux grandes classes de synapses se trouvent chez les vert br s ; ceux fabriqu s avec des cellules musculaires et ceux fabriqu s avec d'autres neurones. La formation des synapses est mieux comprise dans le cas des connexions hautement sp cialis es entre les motoneurones et les cellules musculaires squelettiques, appel es jonctions neuromusculaires (voir Figure 11-38). Au cours de la formation des synapses, le c ne de croissance axonale se diff rencie en une terminaison nerveuse qui contient des v sicules synaptiques remplies du neurotransmetteur ac tylcholine, tandis que les r cepteurs de l'ac tylcholine se regroupent dans la membrane plasmique des cellules musculaires au site de formation des synapses. Une fente synaptique s pare les membranes plasmiques pr -synaptiques et postsynaptiques, et une mince feuille de lame basale se trouve dans cet espace entre eux (figures 21 82). Figure 21 81 La survie des motoneurones d pend des signaux fournis par les muscles cibles. (a) L'ablation du bourgeon membre peu de temps apr s l'arriv e des axones moteurs entra ne la mort des motoneurones de la moelle pini re du c t amput . (B) la transplantation d'un bourgeon de membre suppl mentaire augmente la survie des motoneurones. (d'apr s e. Kandel et al., principles of Neural Science, 5e d., New York : McGraw Hill Medical, 2012.) La formation de la synapse implique une communication bidirectionnelle entre la cellule musculaire et le c ne de croissance axonale : chacun d'eux, sous l'influence de l'autre, doit r organiser les mol cules de son c t de la jonction. Le c ne de croissance lib re la prot ine signal Agrin, tandis que le muscle exprime le r cepteur Agrin LRP4. La liaison d'Agrin LRP4 stimule l'association de LRP4 avec MuSK, un r cepteur tyrosine kinase. LRP4 sert galement de signal dans le sens inverse, du muscle l'axone (Figure 21 83). Au cours de la formation des synapses, MuSK et LRP4 se regroupent dans la membrane plasmique des cellules musculaires dans le voisinage g n ral de la future synapse. mesure que le c ne de croissance s'approche, il reconna t LRP4, qui stimule la diff renciation des structures pr synaptiques dans la cellule nerveuse. Dans le m me temps, Agrin lib r par le c ne de croissance se lie LRP4 dans la cellule musculaire ; cela active MuSK et favorise un regroupement plus cibl des r cepteurs de l'ac tylcholine dans la membrane cellulaire musculaire. Gr ce ces m canismes, la signalisation r ciproque de LRP4 du muscle au c ne de croissance et d'Agrin du c ne de croissance au muscle induit la diff renciation coordonn e et localis e des structures pr -synaptiques et postsynaptiques. La formation de synapses entre les neurones du SNC est beaucoup plus difficile, la fois pour les neurones et pour les scientifiques qui tentent de comprendre la base mol culaire de sa sp cificit , et elle reste mal comprise. LRP4 SIGNALE LE REGROUPEMENT AXONAL DE L
Biologie moléculaire de la cellule	RP4 ET MuSK PAR AGRIN REGROUPEMENT DES R CEPTEURS DE L'AC TYLCHOLINE Agrin Agrin Axon terminal axonal terminal lame basale MuSK (co-r cepteur d'Agrin) MuSK LRP4 (r cepteur d'Agrin) LRP4 R cepteur de l'ac tylcholine Axone du muscle du motoneurone fber (A) (C) (B) nouveau muscle synaptique fber Figure 21 83 Signalisation r ciproque lors de la diff renciation des synapses neuromusculaires. (a) le r cepteur agrin Lrp4 et son cor cepteur MuSK se regroupent dans la membrane cellulaire musculaire dans le voisinage g n ral de la future synapse. (B) mesure que le c ne de croissance se rapproche, il reconna t Lrp4, qui stimule la diff renciation des structures pr synaptiques. r ciproquement, l'agrine est lib r e de la terminaison nerveuse, se lie un complexe de Lrp4 et de MuSK dans le muscle, et (c) favorise le regroupement plus pouss et plus cibl des r cepteurs Lrp4 et de l'ac tylcholine dans la cellule musculaire. bien que la machinerie agrin/MuSK/Lrp4 organise la synapse, le processus d pend galement de la signalisation lectrique via les r cepteurs de l'ac tylcholine. On ne sait pas encore comment Lrp4 signale l'axone moteur. Figure 21 82 Formation de la jonction neuromusculaire. (a) Le c ne de croissance d'un axone moteur se rapproche de la fibre musculaire. (B) La formation initiale des synapses est caract ris e par l'accumulation de v sicules synaptiques la terminaison axonale et la formation d'une lame basale sp cialis e dans la fente synaptique. (c) Au fur et mesure que la jonction neuromusculaire m rit, la fente synaptique accumule des prot ines de la lame basale et de la matrice extracellulaire, les v sicules synaptiques se regroupent aux sites de lib ration pr synaptiques et les r cepteurs des neurotransmetteurs se regroupent aux sites postsynaptiques. Les cellules de Schwann (gliales) accompagnent l'axone moteur et s'enroulent autour de son extr mit en dehors de la r gion de contact synaptique. (D) micrographie lectronique transmission de la r gion de contact synaptique. [D, avec l'aimable autorisation de John Heuser, de J. Electron Microsc. 60 (Suppl 1), 2011. Avec la permission des presses de l'Universit d'Oxford.] L' change bidirectionnel de signaux entre les c nes de croissance axonale et les cellules musculaires contr le la formation initiale des jonctions neuromusculaires, mais ce n'est que la premi re tape dans l' tablissement du mod le final des connexions synaptiques. Chaque cellule musculaire re oit d'abord des synapses de plusieurs motoneurones, mais la fin, elle n'est innerv e que par un seul. Ce processus d' limination des synapses d pend de la communication synaptique active et de l'activit lectrique. Si la transmission synaptique est bloqu e par une toxine qui se lie la r cepteurs de l'ac tylcholine dans la membrane cellulaire musculaire, ou si l'activit lectrique axonale est bloqu e par une toxine qui se lie aux canaux sodiques dans la membrane plasmique axonale, la cellule musculaire conserve son innervation multiple au-del du temps normal d' limination. Le ph nom ne d' limination des synapses en fonction de l'activit est rencontr dans presque toutes les parties du syst me nerveux des vert br s en d veloppement (Figure 21-84). Il joue un r le cl , par exemple, dans l'affinement de la carte r tinotopique dont il a t question pr c demment. Les synapses se forment d'abord en abondance et sont r parties sur un large champ cible ; Ensuite, le syst me de connexions est lagu et remodel par des processus comp titifs qui d pendent de l'activit lectrique et de la signalisation synaptique. L' limination des synapses de cette mani re est distincte de l' limination des neurones en surplus par la mort cellulaire, et elle se produit apr s la fin de la p riode de mort neuronale normale. Le remodelage des synapses au cours du d veloppement neuronal, cependant, implique plus que la simple limination des synapses ; Il implique galement le renforcement des synapses, comme nous le verrons ensuite. Dans l'ensemble du syst me nerveux et tout au long de la vie, l' limination et le renforcement des synapses en fonction de l'activit jouent un r le fondamental dans l'ajustement de l'anatomie d taill e du r seau neuronal en fonction des exigences fonctionnelles. L'importance de ces processus et de leurs r gles sous-jacentes est apparue il y a un demi-si cle partir d'une s rie d'exp riences r volutionnaires sur le d veloppement du syst me visuel de jeunes mammif res. Dans le cerveau de la plupart des mammif res, les axones relayant les entr es visuelles des deux yeux sont rassembl s dans une couche neuronale sp cifique dans la r gion visuelle du cortex c r bral. Ici, elles forment deux cartes superpos es du champ visuel externe, l'une per ue par l' il droit, l'autre per ue par l' il gauche. Bien qu'il puisse y avoir une tendance ce que les entr es de l' il droit et de l' il gauche soient s par es avant m me le d but de la communication synaptique, une grande proporti
Biologie moléculaire de la cellule	on des axones transportant l'information des deux yeux un stade pr coce forment des synapses ensemble sur des neurones cibles partag s dans le cortex visuel. Une p riode d'activit de signalisation lectrique pr coce est calme : la cellule C est excit e simultan ment : la cellule C est excit e synapse faite par B sur C Les synapses faites par A et B sont affaiblies ou limin es sur C sont renforc es BB Figure 21 84 Modification des synapses et sa d pendance l'activit lectrique. Des exp riences dans plusieurs syst mes indiquent que les synapses sont renforc es ou affaiblies par l'activit lectrique selon la r gle indiqu e sur le sch ma. Le principe sous-jacent semble tre que chaque excitation d'une cellule cible tend affaiblir toute synapse o la terminaison axonale pr synaptique a t silencieuse, mais renforcer toute synapse o la terminaison axonale pr synaptique vient d' tre active. En cons quence, toute synapse qui est affaiblie plusieurs reprises et rarement renforc e est finalement limin e compl tement. Figure 21 85 Colonnes de dominance oculaire dans le cortex visuel du cerveau d'un singe et leur sensibilit l'exp rience visuelle. (a) Normalement, les bandes de cellules corticales entra n es par l' il droit alternent avec des rayures, de largeur gale, entra n es par l' il gauche. Les rayures, mises en place avant la naissance, sont ici r v l es par l'injection d'une mol cule de traceur radioactif dans un il, laissant le temps ce traceur d' tre transport vers le cortex visuel, et d tectant la radioactivit cet endroit par autoradiographie, en coupes parall les la surface corticale. (B) Si un il est maintenu couvert apr s la naissance, pendant la p riode sensible du d veloppement, et donc priv de l'exp rience visuelle, ses rayures se r tr cissent et celles de l' il actif se dilatent. De cette fa on, l' il priv peut perdre presque enti rement le pouvoir de vision. (Extrait de D.h. hubel, t.N. Wiesel et S. LeVay, Philos. Trans. R. Soc. Lond. B Biol. Sci. 278:377-409, 1977. Avec l'autorisation de la Royal Society.) cependant, se produisant spontan ment et ind pendamment dans chaque r tine avant la naissance, conduit un mod le remarquable de colonnes de dominance oculaire dans le cortex visuel : des bandes de cellules entra n es par des entr es de l' il droit alternant avec des bandes entra n es par des entr es de l' il gauche (Figure 21-85). La base de ces ph nom nes est devenue claire gr ce des exp riences ing nieuses interf rant artificiellement avec l'exp rience visuelle et modifiant la coordination de la signalisation lectrique dans les deux yeux. Ces tudes, ainsi que de nombreuses autres D'autres, par la suite, ont mis en vidence un principe simple mais profond ment important qui semble r gir le renforcement et l' limination des synapses dans tout le syst me nerveux. Lorsque deux neurones (ou plus) faisant synapse sur la m me cellule cible s'activent en m me temps, ils renforcent leurs connexions avec cette cellule ; Lorsqu'ils tirent des moments diff rents, ils sont en concurrence, de sorte que tous sauf un ont tendance tre limin s. Cette r gle de tir est exprim e dans le slogan les neurones qui se d clenchent ensemble se connectent ensemble . La r gle de tir fournit une interpr tation simple du ph nom ne de d veloppement que nous venons de d crire dans le syst me visuel des mammif res. Une paire d'axones apportant des informations de sites voisins dans l' il gauche se d clenche fr quemment, et donc se connecte ensemble, tout comme une paire d'axones de sites voisins dans l' il droit ; Mais un axone de l' il droit et un axone de l' il gauche se d clenchent rarement ensemble, et sont plut t en comp tition. En effet, si l'activit des deux yeux est r duite au silence l'aide de toxines qui bloquent l'activit lectrique axonale ou la signalisation synaptique, comme d crit ci-dessus, les entr es ne parviennent pas se s parer correctement. La s gr gation des entr es des deux yeux n'est que le premier d'une s rie d'ajustements des connexions visuelles en fonction de l'activit , dont le maintien est extraordinairement sensible l'exp rience t t dans la vie. Si, pendant une certaine p riode sensible (se terminant vers l' ge de 5 ans chez l'homme), un il est maintenu couvert pendant un certain temps afin de le priver de stimulation visuelle, tandis que l'autre il est autoris une stimulation normale, l' il priv perd ses connexions synaptiques avec le cortex et devient presque enti rement, et irr versiblement, aveugle. Conform ment ce que la r gle de tir pr dirait, une comp tition s'est produite dans laquelle les synapses du cortex visuel produites par des axones inactifs sont limin es tandis que les synapses form es par des axones actifs sont consolid es. De cette fa on, le territoire cortical est attribu aux axones qui transportent l'information et n'est pas gaspill sur ceux qui sont silencieux. Les changements synaptiques d pendants de l'a
Biologie moléculaire de la cellule	ctivit ne se limitent pas au d but de la vie. Ils se produisent galement dans le cerveau adulte, o de nombreuses synapses pr sentent des alt rations fonctionnelles et morphologiques avec l'utilisation. On pense que cette plasticit synaptique a un r le fondamental dans l'apprentissage et la m moire. De toute vidence, pour le syst me nerveux comme pour d'autres parties du corps, les processus de d veloppement ne s'arr tent pas la naissance, comme nous le verrons dans le chapitre suivant. Le d veloppement du syst me nerveux se d roule en quatre phases. Tout d'abord, les neurones et les cellules gliales sont g n r s partir de cellules prog nitrices neurales en division. Ensuite, les neurones nouveau-n s envoient des axones et des dendrites vers leurs cibles. Ensuite, ils tablissent des connexions synaptiques avec les cellules cibles appropri es afin que la communication puisse commencer. Enfin, les neurones en exc s sont limin s par la mort normale des cellules neuronales, apr s quoi le syst me de connexions synaptiques est affin et remodel en fonction du mod le d'activit lectrique et synaptique dans le r seau neuronal. Les neurones n s des moments et des endroits diff rents sont sp cialis s pour exprimer diff rents ensembles de g nes, et ils ont une m moire cellulaire qui joue un r le majeur dans la d termination des connexions qu'ils formeront. Leur sp cialisation d pend non seulement de la structuration spatiale des morphog nes, mais aussi des programmes de d veloppement intrins ques qui se d ploient au fur et mesure que les prog niteurs neuronaux prolif rent. Les axones et les dendrites se d veloppent partir des neurones au moyen de c nes de croissance, qui suivent des voies sp cifiques d limit es par des signaux attrayants et r pulsifs en cours de route, y compris des mol cules de surface cellulaire et de matrice extracellulaire et des prot ines de signal solubles auxquelles les c nes de croissance de diff rentes classes de neurones r agissent diff remment. Dans de nombreuses parties du syst me nerveux, des cartes neuronales sont mises en place, c'est- -dire des projections ordonn es d'un ensemble de neurones sur un autre. Dans le syst me r tinotopique, la carte est bas e sur l'appariement de syst mes compl mentaires de marqueurs de surface cellulaire sp cifiques la position phrines et r cepteurs Eph poss d s par les deux ensembles de cellules. D'autres mol cules de surface cellulaire, telles que les prot ines DSCAM chez la drosophile et les protocadh rines chez les vert br s, m dient l'auto- vitement entre les branches issues d'un seul neurone, aidant ainsi la cellule taler ses processus. La formation des synapses implique une signalisation aller-retour entre les cellules cibles et le c ne de croissance. Une fois que les c nes de croissance ont atteint leurs cibles et que les connexions initiales se sont form es, les synapses individuelles sont limin es certains endroits et renforc es d'autres par des m canismes qui d pendent de l'activit synaptique et lectrique. Ces m canismes ajustent l'architecture du r seau de neurones en fonction de la mani re dont ils sont o il est utilis . Quelles d clarations sont vraies ? Expliquez pourquoi ou pourquoi pas. Qu'est-ce qui r gule le rythme du d veloppement ? Pourquoi un embryon de souris se d veloppe-t-il plus rapidement qu'un embryon humain, par exemple ? Quels sont les m canismes qui permettent de stocker la m moire cellulaire au cours du d veloppement, expliquant comment l'histoire de chaque cellule d termine son comportement futur ? Comment les signaux se propagent-ils travers les tissus ? Quels sont les r les de la matrice extracellulaire et des projections cellulaires allong es ? Comment une cellule sait-elle exactement o elle se trouve dans un organisme multicellulaire ? Comment sait-il que ses voisins sont les bons et que, si ce n'est pas le cas, il doit se d placer ou se tuer ? Comment les cellules r agissent-elles de minuscules gradients de mol cules dans leur environnement, comme cela est n cessaire pour conna tre leurs positions ? Comment les gradients morphog nes sont-ils interpr t s de mani re fiable ? Quels sont les changements g n tiques qui permettent de r orienter des parties du corps existantes au cours de l' volution ? Par exemple, comment les ailes de chauve-souris ont-elles volu partir des bras ? Comment les cellules utilisent-elles les instructions g n tiques pour former la forme de quelque chose d'aussi complexe que le nez humain ? 21 1 Dans les premiers stades du clivage, lorsque l'embryon 21 5 Changements dans les r gions codantes des g nes impliqu s ne peut pas encore se nourrir, le programme de d veloppement est dirig et le d veloppement est principalement responsable des diff rences enti rement contr l es par le mat riel d pos dans l' uf entre les esp ces. la m re. 21 6 Le cycle cellulaire est le tic-tac de l'horloge qui donne le tempo des processus de d veloppement, avec
Biologie moléculaire de la cellule	la maturation 21 2 En raison des nombreux trans-changements d veloppementaux ult rieurs dans l'expression des g nes qui d pendent des formations du cycle cellulaire qui produisent les organes structur s de mani re labor e, la progression. Le plan corporel mis en place lors de la gastrulation ressemble peu au plan corporel chez l'adulte. Discutez des probl mes suivants. 21 3 Au fur et mesure que le d veloppement progresse, les cellules individuelles 21 7 Nommez les quatre processus qui sont fondamentaux pour devenir de plus en plus restreints dans la gamme des types de cellules du d veloppement animal, et d crivez chacun d'entre eux en un seul qu'ils peuvent donner lieu. phrase. 21 4 diff rents stades du d veloppement embryonnaire, 21 8 Quelles sont les trois couches germinales form es pendant le gaz - les m mes signaux sont utilis s encore et encore par diff rentes trulations, et quelles sont les principales structures que chacune donne aux cellules, mais avec des r sultats biologiques diff rents. Devenir adulte ? 21 9 Dans l'embryon pr coce de drosophile, il ne semble pas y avoir de besoin pour les formes habituelles de signalisation cellule-cellule ; au lieu de cela, les r gulateurs transcriptionnels et les mol cules d'ARNm se d placent librement entre les noyaux. Comment est-ce possible ? 21 10 morphog nes jouent un r le cl dans le d veloppement, cr ant des gradients de concentration qui informent les cellules de leur position et de leur comportement. Examinez les motifs simples repr sent s par les drapeaux de la figure Q21 1. Selon vous, lequel pourrait tre cr par un gradient d'un seul morphog ne ? Qu'est-ce qui n cessiterait des gradients de deux morphog nes ? En supposant que de tels motifs taient pr sents dans une feuille de cellules, expliquez comment Ils pourraient tre cr s par des morphog nes. Figure Q21 1 Drapeaux nationaux de trois pays (probl me 21 10). Deux cellules adjacentes chez le ver n matode se diff rencient normalement en une cellule d'ancrage (AC) et une cellule pr curseur ut rine ventrale (VU), mais laquelle des deux devient l'AC et laquelle devient la cellule VU est compl tement al atoire : les cellules ont une chance gale d'adopter l'un ou l'autre destin, mais elles adoptent toujours des destins diff rents. Les mutations de Lin12 modifient ces destins. Chez les mutants Lin12 hyperactifs, les deux cellules deviennent des cellules VU, tandis que chez les mutants Lin12 inactifs, les deux cellules deviennent des CA. Ainsi, Lin12 est au c ur du processus de prise de d cision. Dans les mosa ques g n tiques dans lesquelles une cellule pr curseur a le Lin12 hyperactif et l'autre pr curseur a le Lin12 inactif, la cellule avec le Lin12 hyperactif devient toujours la cellule VU et la cellule avec Lin12 inactif devient toujours l'AC. En supposant qu'une cellule envoie un signal et que l'autre cellule le re oit, expliquez comment ces r sultats sugg rent que Lin12 code pour une prot ine n cessaire pour recevoir le signal. Proposez une suggestion sur la fa on dont le destin de ces deux cellules pr curseurs est normalement d cid chez les vers de type sauvage. Il tait clair, d s les premiers jours de l' tude du d veloppement, que certaines substances morphog n tiques taient pr sentes dans l' uf et se s gr guaient de mani re asym trique dans les cellules de l'embryon en d veloppement. L'une de ces recherches chez des embryons d'ascidies (ascidies) a examin la phosphatase alcaline endodermique, qui pouvait tre visualis e par une coloration histochimique. Le traitement des embryons par la cytochalasine B a arr t la division cellulaire, mais n'a pas bloqu l'expression de la phosphatase alcaline au moment opportun. Le traitement par l'actinomycine D, qui bloque la transcription, n'a pas interf r avec l'expression de la phosphatase alcaline. Le traitement la puromycine, qui bloque la traduction, a limin l'expression de la phosphatase alcaline. Quelle est la nature probable de la substance morphog n tique l'origine de la phosphatase alcaline ? 21 13 Les g nes HoxA3 et HoxD3 de la souris sont des paralogues qui occupent des positions quivalentes dans leurs groupes de g nes Hox respectifs et partagent environ 50 % d'identit dans leurs s quences codant pour la pro-t ine. Les souris pr sentant des d fauts en HoxA3 ont des d ficiences dans les tissus pharyng s, tandis que les souris avec des d fauts en HoxD3 ont des d ficiences dans le squelette axial, sugg rant des fonctions tr s diff rentes pour les paralogues. Ainsi, ce fut une surprise lorsqu'il a t constat que le remplacement d'un g ne HoxD3 d fectueux par le g ne HoxA3 normal corrigeait la d ficience, tout comme l'exp rience r ciproque de remplacement d'un g ne HoxA3 mutant par un g ne HoxD3 normal. Cependant, aucun des g nes transplac s ne pouvait assurer sa fonction normale ; c'est- -dire qu'un g ne HoxA3 normal au locus HoxD3 ne pouvait pas corriger la d ficience caus e par un g ne HoxA3 mutant au locus Hox
Biologie moléculaire de la cellule	A3. Il en tait de m me pour le g ne HoxD3. Si les g nes HoxA3 et HoxD3 sont quivalents, comment pensez-vous qu'ils peuvent jouer des r les aussi distincts dans le d veloppement ? Pourquoi pensez-vous qu'ils ne peuvent pas remplir leur fonction normale dans un nouvel endroit ? 21 14 On pense que la segmentation des somites chez les embryons de vert br s d pend des oscillations dans l'expression du g ne Hes7. La mod lisation math matique explique ces oscillations en termes de retards de production de la prot ine instable Hes7, qui agit comme un r gulateur de transcription pour arr ter sa propre expression. Une fois que Hes7 se d sint gre, avec une demi-vie d'environ 20 minutes, sa transcription reprend. Pour tester ce mod le, vous d cidez de r duire le d lai total en supprimant un, deux ou les trois introns du g ne Hes7 chez la souris. Pourquoi pensez-vous que la suppression de l'intron r duirait le d lai ? Que pr voriez-vous qu'il adviendrait du temps d'oscillation et de la formation de somites si le mod le tait correct ? 21 15 L'horloge oscillatoire qui entra ne la formation de somites chez les vert br s implique trois composants essentiels : Her7 (un r presseur instable de sa propre synth se), Delta (une mol cule de signalisation transmembranaire) et Notch (un r cepteur transmembranaire pour Delta). Notch est li par Delta sur les cellules voisines, activant la voie de signalisation Notch, qui active ensuite la transcription Her7. Normalement, ce syst me fonctionne parfaitement pour cr er des somites bien d finis (Figure Q21 2A). En l'absence de Delta, cependant, seuls les cinq premiers somites se forment normalement, et les autres sont mal d finis (Figure Q21 2B). Si une impulsion de Delta est fournie plus tard, la formation de somites revient la normale dans les r gions o Delta tait pr sent (Figure Q21 2C). Un sch ma des connexions entre les composants de l'horloge et comment ils interagir dans les cellules adjacentes est illustr la figure Q21 2D. En l'absence de Delta, pourquoi les cellules deviennent-elles d synchronis es ? Qu'y a-t-il dans la pr sence de Delta qui maintient les cellules adjacentes oscillant de mani re synchronis e ? 21 16 Le facteur prot ique extracellulaire d capentapl gique (Dpp) est essentiel au bon d veloppement des ailes chez la drosophile (Figure Q21 3A). Il s'exprime normalement par une bande troite au milieu de l'aile, le long de la limite ant ro-post rieure. Les mouches qui ne sont pas adapt es au Dpp forment des ailes rabougries (figures Q21 3B). Si une copie suppl mentaire du g ne est plac e sous le contr le d'un promoteur qui est actif dans la partie ant rieure de l'aile, ou dans la partie post rieure Figure Q21 2 Formation de somites chez les embryons de poisson-z bre (probl me 21 15). a) Embryons de type sauvage avec des somites normaux. (B) Formation de somite chez les embryons d pourvus de Delta. Le support indique les somites d'apparence normale o ils se forment initialement. (c) Formation de somites chez les embryons d pourvus de Delta, mais recevant une impulsion d'expression Delta au moment indiqu par le crochet de droite. (D) Interactions entre les composants de l'horloge oscillatoire dans les cellules adjacentes. (adapt de c. Soza-ried et al., Development 141:1780 1788, 2014. Avec l'autorisation de la compagnie de biologistes.) carroll SB (2006) sans fin Formes les plus belles : la nouvelle science d'evo Devo. New York : W.W. Norton & co., Inc. Gilbert SF (2013) Biologie du d veloppement, 10e d. Sunderland, MA : Sinauer associates, Inc. Wolpert L & Tickle c (2010) principes de d veloppement, 3e d. Oxford, Royaume-Uni : Oxford University press. Vue d'ensemble du d veloppement Gurdon JB (2013) l' uf et le noyau : une bataille pour la supr matie (Conf rence Nobel). Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 52, 13890 13899. Istrail S & Davidson eh (2005) Fonctions logiques du code cisr glementaire g nomique. Proc. Natl Acad. Sci. USA 102, 4954 4959. Levine M (2010) Amplificateurs transcriptionnels dans le d veloppement et l' volution animales. Curr. Biol. 20, r754 r763. Lewis J (2008) Des signaux aux mod les : espace, temps et math matiques en biologie du d veloppement. Science 322, 399 403. Meinhardt h & Gierer a (2000) formation d'un motif par auto-activation locale et inhibition lat rale. Bioessais 22, 753-760. rogers KW & Schier aF (2011) Gradients morphog nes : de la g n ration l'interpr tation. Annu. Rev. Cell Dev. Biol. 27, 377 407. Shubin N, tabin c & carroll S (2009) Homologie profonde et les origines de la nouveaut volutive. Nature 457, 818 823. Figure Q21 3 Effets de l'expression de Dpp sur le d veloppement des ailes chez la drosophile (probl me 21 16). (a) Expression normale de Dpp. (B) l'absence d'expression Dpp. (c) expression ant rieure suppl mentaire de Dpp. (D) expression post rieure suppl mentaire de Dpp. (D'apr s M. Zecca, K. Basler et G. Struhl, Development 121:2265-2278, 1995. Avec l'autorisation de la co
Biologie moléculaire de la cellule	mpagnie de biologistes.) partie de l'aile, une grande masse de tissu alaire compos e de cellules d'apparence normale est produite au site d'expression de Dpp (figures Q21 3C et D). La Dpp stimule-t-elle la division cellulaire, la croissance cellulaire ou les deux ? Comment pouvez-vous le savoir ? 21 17 Les structures hautement ramifi es des neurones semblent rendre presque in vitable qu'ils fassent des synapses improductives avec eux-m mes, mais ils parviennent viter ce r sultat de mani re tr s efficace. Comment cela s'accomplit-il chez les vert br s ? M canismes de formation des motifs andrey G & Duboule D (2014) SnapShot : r gulation du g ne hox. Cellule 156, 856 856.e1. Baker Ne (2011) Motif proximodistal dans la patte de la drosophile : mod les et mutations. G n tique 187, 1003 1010. chan YF, Marks Me, Jones Fc et al. (2010) volution adaptative de la r duction pelvienne chez les pinoches par d l tion r currente d'un amplificateur pitx1. Science 327, 302 305. Davis rL, Weintraub h & Lassar aB (1987) l'expression d'un seul ADNc transfect convertit les fibroblastes en myoblastes. Cellule 51, 987 1000. De robertis eM (2006) L'organisateur de Spemann et l'autor gulation chez les embryons d'amphibiens. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 4, 296 302. DiNardo S, heemskerk J, Dougan S & O'Farrrell ph (1994) la fabrication d'un asticot : modelage de l' piderme embryonnaire de la drosophile. Curr. Opin. Genette. Dev. 4, 529 534. Driever W & N sslein-Volhard c (1988) un gradient de prot ine bico de dans les embryons de drosophile. Cellule 54, 83 93. Fowlkes cc, Luengo cL, Ker nen Ve et al. (2008) un atlas spatio-temporel quantitatif de l'expression g nique chez le blastoderme de la drosophile. Cellule 133, 364 74. Furman Dp & Bukharina ta (2008) comment Drosophila Melanogaster forme ses m canor cepteurs. Curr. G nomique 9, 312 323. Gaudet J & Mango Se (2002) r gulation de l'organogen se par la prot ine Foxa pha- 4 de Caenorhabditis elegans. Science 295, 821 825. halder G, callaerts p & Gehring WJ (1995) Induction des yeux ectopiques par l'expression cibl e du g ne eyeless chez la drosophile. Science 267, 1788-1792. Kornberg tB & Roy S (2014) cyton mes en tant que filopodes de signalisation sp cialis s. D veloppement 141, 729-36. Knoblich Ja (2010) Division cellulaire asym trique : d veloppements r cents et leurs implications pour la biologie des tumeurs. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 11, 849-860. Lander aD (2013) comment les cellules savent o elles se trouvent. Science 339, 923 27.Lewis eB (1978) un complexe g n tique contr lant la segmentation chez la drosophile. Nature 276, 565 570. M ller p, rogers KW, Jordan BM et al. (2012) La diffusivit diff rentielle de Nodal et Lefty sous-tend un syst me de structuration r action-diffusion. Science 336, 721 724. N sslein-Volhard c & Wieschaus e (1980) Mutations affectant le nombre de segments et la polarit chez la drosophile. Nature 287, 795 801. ringrose L & paro r (2007) l ments de r ponse polycomb/trithorax et m moire pig n tique de l'identit cellulaire. D veloppement 134, 223-232. Shulman JM & St Johnston D (1999) formation de motifs dans des cellules uniques. Tendances Cell Biol. 9, M60-64. von Dassow G, Meir e, Munro eM & Odell GM (2000) Le r seau de polarit des segments est un module de d veloppement robuste. Nature 406, 188-192. Brown DD & cai L (2007) m tamorphose amphibienne. Dev. Biol. 306, 20 33. Giraldez aJ, Mishima Y, rihel J et al. (2006) Le poisson z bre Mir-430 favorise l'in thylation et l' limination des mrNa maternels. Science 312, 75 79. Isshiki t, pearson B, holbrook S & Doe cQ (2001) Les neuroblastes de la drosophile expriment s quentiellement des facteurs de transcription qui sp cifient l'identit temporelle de leur descendance neuronale. Cellule 106, 511 521. Lee rc, Feinbaum rL & ambros V (1993) le g ne h t rochronique lin-4 de C. elegans code pour de petits rNas avec une compl mentarit antisens avec lin-14. Cellule 75, 843 854. Lewis J (2003) Autoinhibition avec retard transcriptionnel : un m canisme simple pour l'oscillateur de somitogen se du poisson z bre. Curr. Biol. 13, 1398-1408. pourqui O (2011) Segmentation des vert br s : des r seaux de g nes cycliques la scoliose. Cellule 145, 650 663. Song J, Irwin J & Dean c (2013) se souvenant du froid prolong de l'hiver. Curr. Biol. 23, r807 r811. Wightman B, ha I & ruvkun G (1993) La r gulation post-transcriptionnelle du g ne h t rochronique lin-14 par lin-4 m die la formation du motif temporel chez C. elegans. Cellule 75, 855 862. Green aa, Kennaway Jr, hanna aI et al. (2010) Contr le g n tique de la forme des organes et de la polarit des tissus. PLoS Biol. 8, e1000537. Le Douarin NM & Kalcheim c (1999) the Neural crest, 2e d. cambridge, Royaume-Uni : cambridge University press. Matis M & axelrod JD (2013) : r gulation de pcp par la voie de signalisation des graisses. G nes Dev. 27, 2207 20. Ochoa-espinosa a & affolter M (
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Biologie moléculaire de la cellule	cellules naissent, se diff rencient et meurent continuellement. Les m canismes hom ostatiques maintiennent un bon quilibre, de sorte que l'architecture tissulaire est pr serv e malgr le remplacement constant des anciennes cellules par de nouvelles. Dans ce chapitre, nous nous concentrons sur ces processus de d veloppement qui se poursuivent tout au long de la vie. Ce faisant, nous illustrerons une partie de la diversit des types de cellules sp cialis es et verrons comment elles travaillent ensemble pour accomplir leurs t ches. Nous examinerons en particulier le r le jou dans de nombreux tissus par les cellules souches, cellules sp cialis es dans la fourniture d'un nouvel approvisionnement en cellules diff renci es lorsque celles-ci doivent tre continuellement remplac es ou lorsqu'elles sont n cessaires en grand nombre des fins de r paration et de r g n ration. Nous verrons que si de nombreux tissus se renouvellent et se r parent, d'autres ne le font pas ; L , les cellules perdues sont perdues jamais, provoquant la surdit , la c cit , la d mence et d'autres maux. Dans la derni re section du chapitre, nous discutons de la fa on dont les cellules souches peuvent tre g n r es et manipul es artificiellement, et nous abordons la question pratique qui sous-tend la temp te actuelle d'int r t pour la technologie des cellules souches : comment pouvons-nous utiliser notre compr hension des processus de diff renciation cellulaire et de renouvellement des tissus pour am liorer la nature et r parer les blessures et les d faillances du corps humain qui semblaient jusqu' pr sent irr parables ? Parmi tous les tissus qui s'auto-renouvellent chez un mammif re, le champion du moins pour la vitesse est la muqueuse de l'intestin gr le : la partie longue et alambiqu e du tube intestinal qui est principalement responsable de l'absorption des nutriments de la lumi re intestinale. Pour introduire les cellules souches, nous prenons l'intestin gr le comme point de d part, non seulement parce qu'il se renouvelle un rythme plus rapide que tout autre tissu du corps, mais aussi parce que les m canismes mol culaires qui contr lent son organisation sont particuli rement bien compris. Il fournit ainsi une belle illustration des principes des syst mes de cellules souches qui ont une large applicabilit . FibRoblaStS et leur tRanSFoRmationS : la famille de cellules ConneCtive-tiSSue sang veSSelS, lymphatiCS et cellules endoth liales a hieRaRChiCal Stem-Cell SyStem : formation de cellules sanguines Migration des cellules pith liales de la naissance en bas la muqueuse de l'intestin gr le est continuellement renouvel e par la prolif ration cellulaire dans les cryptes La muqueuse de l'intestin gr le (et de la plupart des autres r gions de l'intestin) est un pith lium en couches minuscules, d'une seule cellule d' paisseur. Cet pith lium recouvre les surfaces des villosit s qui font saillie dans la lumi re et tapisse les cryptes qui descendent dans le tissu conjonctif sous-jacent (Figure 22 1). Les cellules en division sont confin es aux cryptes, et les cellules diff renci es, qui ne se divisent plus, se d versent hors des cryptes en un flux r gulier sur les villosit s. Il existe quatre principaux types de cellules diff renci es non divis es : une cellule absorbante et trois cellules s cr toires (Figure 22 2) : 1. Les cellules absorbantes ( galement appel es cellules bordure de brosse ou ent rocytes) ont des microvillosit s dens ment regroup es sur leurs surfaces expos es. Leur travail consiste absorber les nutriments de la lumi re intestinale. cette fin, ils produisent galement des enzymes hydrolytiques qui effectuent certaines des derni res tapes de la digestion extracellulaire. Ils sont le type cellulaire majoritaire dans l' pith lium. 2. Les cellules caliciformes s cr tent du mucus dans la lumi re intestinale qui recouvre l' pith lium d'une couche protectrice. 3. Les cellules de Paneth font partie du syst me de d fense immunitaire inn (discut au chapitre 24) et s cr tent des prot ines qui tuent les bact ries. 4. Les cellules ent roendocrines, de plus de 15 sous-types diff rents, s cr tent des hormones s rotonine et peptidique qui agissent sur les neurones et d'autres types de cellules de la paroi intestinale et r gulent la croissance, la prolif ration et les activit s digestives des cellules de l'intestin et d'autres tissus. Comme sur un tapis roulant, les cellules absorbantes, gobelettes et ent roendocrines se d placent principalement vers le haut partir de leur lieu de naissance dans la crypte, par un mouvement de glissement dans le plan de la feuille pith liale, pour couvrir les surfaces des villosit s. Dans les 3 5 jours (chez la souris) apr s tre sorties des cryptes, les cellules atteignent l'extr mit des villosit s, o elles subissent une apoptose et sont finalement rejet es dans la lumi re intestinale (voir Figure 22 1 Renouvellement de la muqueuse intestinale. a) le mod le de renouve
Biologie moléculaire de la cellule	llement cellulaire et de prolif ration dans l' pith lium qui forme le rev tement de l'intestin gr le. Les cellules souches (rouges) se trouvent la base de la crypte, intercal es entre des cellules diff renci es non divis es (cellules de Paneth). la descendance des cellules souches se d place principalement vers le haut des cryptes vers les villosit s ; Apr s quelques divisions rapides, ils cessent de se diviser et de se diff rencier, certains d'entre eux encore dans la crypte, la plupart d'entre eux lorsqu'ils sortent de la crypte. Les cellules de Paneth, comme les autres cellules diff renci es non divis es, sont continuellement remplac es par la descendance des cellules souches, mais elles migrent vers le bas vers la base de la crypte et y survivent pendant de nombreuses semaines. b) Photographie d'une section d'une partie de la muqueuse de l'intestin gr le, montrant les cryptes et les villosit s. noter le m lange de types cellulaires diff renci s, tous g n r s partir des cellules souches ; Il s'agit principalement de cellules absorbantes, avec des cellules caliciformes s cr tant du mucus (color es en rouge) intercal es entre elles. Les cellules ent roendocrines (non marqu es) sont moins nombreuses et moins faciles identifier sans coloration particuli re. Vid o 20.6). Les cellules de Paneth dans les cryptes sont produites en nombre beaucoup plus petit et ont un sch ma de migration diff rent. Ils vivent au fond des cryptes, o ils sont eux aussi continuellement remplac s, bien que moins rapidement, persistant pendant plusieurs semaines (chez la souris) avant de subir l'apoptose et d' tre phagocyt s par leurs voisins. Le probl me central est de comprendre les processus dans la crypte qui g n rent un approvisionnement continu de tous ces types de cellules non divis es et diff renci es en phase terminale. Les cellules souches de l'intestin gr le se trouvent la base ou pr s de la base de chaque crypte Le sch ma g n ral de prolif ration cellulaire et de migration dans la muqueuse intestinale est r v l par une m thode de marquage simple qui utilise des impulsions inject es de thymidine triti e (radioactive) ou d'un analogue de la thymidine qui peut tre d tect dans des coupes de tissus. Les cellules qui sont en phase S du cycle de division incorporent la mol cule marqueur dans leur ADN, et leur destin peut ensuite tre suivi au cours des heures et des jours suivants. Si une cellule se divise apr s l'incorporation de l' tiquette, l' tiquette se dilue, se diluant et se divise en deux chaque cycle cellulaire. Cela peut tre quantifi . Les exp riences bas es sur cette m thode de marquage confirment, tout d'abord, que les cellules en division sont confin es dans les cryptes et que les types de cellules diff renci es num r s ci-dessus ne se divisent pas. Deuxi mement, les cellules qui se divisent le plus rapidement, avec un temps de cycle d'environ 12 heures chez la souris, se trouvent dans les parties centrale et sup rieure de la crypte, et ces cellules sont toutes destin es se diff rencier et cesser de se diviser (voir Figure 22-1A). Juste au-dessus de la la base de la crypte, intercal es parmi les cellules de Paneth, se trouvent des cellules qui se divisent plus lentement. Ce sont les cellules souches, qui introduisent une partie de leur prog niture dans les niveaux sup rieurs de la crypte destin e la diff renciation, tandis que d'autres descendants restent la base de la crypte pour continuer l'ensemble du processus. Les cellules qui se divisent rapidement au-dessus de ces cellules souches en sont d riv es, mais d j engag es dans la diff renciation. Ces cellules sont appel es pr curseurs engag s ou cellules amplificatrices de transit, car leurs divisions servent amplifier le nombre de cellules diff renci es qui r sultent finalement de chaque division de cellules souches. les deux filles d'une cellule souche font face un choix Les cellules souches jouent un r le essentiel dans une vari t de tissus, et il est utile d' num rer leurs propri t s d terminantes : 1. Une cellule souche n'est pas elle-m me diff renci e en phase terminale, c'est- -dire qu'elle n'est pas la fin d'une voie de diff renciation. 2. Il peut se diviser sans limite (ou au moins pour la dur e de vie de l'animal). 3. Lorsqu'elle se divise, chaque fille a le choix : soit elle reste une cellule souche, soit elle s'engage dans un cours qui l'engage vers une diff renciation terminale (Figure 22-3). Figure 22 2 Les quatre principaux types de cellules diff renci es pr sentes dans la muqueuse pith liale de l'intestin gr le. Toutes les cellules sont orient es avec la lumi re intestinale en haut. De larges fl ches orange indiquent la direction de la s cr tion ou de l'absorption des mat riaux pour chaque type de cellule. toutes ces cellules sont g n r es partir de cellules souches multipotentes indiff renci es vivant pr s du fond des cryptes (voir Figure 22-1). Les cellules absorbantes (bordure en brosse) sont plus
Biologie moléculaire de la cellule	nombreuses que les autres types de cellules de l' pith lium d'environ 10:1 ou plus. Les microvillosit s leur surface apicale fournissent une surface multipli e par 30, non seulement pour l'importation de nutriments, mais aussi pour l'ancrage des enzymes qui effectuent les derni res tapes de la digestion extracellulaire, d composant les petits peptides et disaccharides en monom res qui peuvent tre transport s travers la membrane cellulaire. Les cellules caliciformes s cr tent du mucus ; Ce sont les types de cellules s cr toires les plus courants. Les cellules de Paneth s cr tent (avec certains facteurs de croissance) des cryptdines, des prot ines de la famille des d fensines qui tuent les bact ries. Diff rents sous-types de cellules ent roendocrines s cr tent des hormones s rotonine et peptidique dans la paroi intestinale (et donc dans le sang). La chol cystokinine est une hormone lib r e par les cellules ent roendocrines en r ponse la pr sence de nutriments dans l'intestin. Il se lie aux r cepteurs des terminaisons nerveuses sensorielles voisines, qui relaient un signal au cerveau pour arr ter la sensation de faim une fois que l'on a suffisamment mang . (d'apr s T.L. Lentz, Cell Fine Structure. Philadelphie : Saunders, 1971 ; R. krsti c, encyclop die illustr e de l'histologie humaine. berlin : Springer-verlag, 1984.) Les cellules souches sont n cessaires partout o il y a un besoin r current de remplacer des cellules diff renci es qui ne peuvent pas se diviser elles-m mes. Bien qu'une cellule souche doive tre capable de se diviser, elle ne doit pas n cessairement se diviser rapidement ; En fait, de nombreuses cellules souches se divisent un rythme relativement lent. Les cellules souches sont de nombreux types, sp cialis es dans la gen se de diff rentes classes de cellules diff renci es en phase terminale : cellules souches intestinales pour l' pith lium intestinal, cellules souches pidermiques pour l' piderme, cellules souches h matopo tiques pour le sang, etc. Chaque syst me de cellules souches soul ve n anmoins des questions fondamentales similaires. Quelles sont les caract ristiques distinctives de la cellule souche en termes mol culaires ? Quelles sont les conditions qui permettent de maintenir la cellule souche sa place et de conserver son caract re de cellule souche ? Qu'est-ce qui d cide si une cellule fille donn e s'engage dans la diff renciation ou reste une cellule souche ? Dans un tissu o plusieurs types distincts de cellules diff renci es doivent tre produits, sont-ils tous d riv s d'un seul type de cellule souche, ou y a-t-il un type distinct de cellule souche pour chacune d'entre elles ? La signalisation wnt maintient le compartiment des cellules souches intestinales Pour l'intestin, les d buts d'une r ponse ces questions sont venus d' tudes sur le cancer du c lon et du rectum (l'extr mit inf rieure de l'intestin, galement connue sous le nom de gros intestin). Certaines personnes ont une pr disposition h r ditaire au cancer colorectal et, avant l'apparition de la maladie invasive, d veloppent un grand nombre de petites tumeurs pr canc reuses (ad nomes) dans la muqueuse de cette partie de l'intestin (Figure 22 4). L'apparition de ces tumeurs sugg re qu'elles sont apparues partir de cellules de la crypte intestinale qui n'ont pas r ussi arr ter leur prolif ration de mani re normale. Comme nous l'avons vu au chapitre 20, la cause a t attribu e des mutations du g ne Apc (polypose ad nomateuse coli) : les tumeurs proviennent de cellules qui ont perdu les deux copies du g ne. tant donn que Apc code pour une prot ine qui emp che l'activation inappropri e de la voie de signalisation Wnt (voir Figure 15-60), cette perte d'Apc est pr sum e imiter l'effet d'une exposition continue un signal Wnt. La suggestion est donc que la signalisation Wnt maintient normalement les cellules de la crypte dans un tat prolif ratif, et qu'une cessation de l'exposition la signalisation Wnt les fait normalement cesser de se diviser lorsqu'elles quittent la crypte. Les cellules souches la base de la crypte sont multipotentes, donnant naissance la gamme compl te de types de cellules intestinales diff renci es On soup onne depuis longtemps que tous les types de cellules diff renci es de la muqueuse de l'intestin d rivent d'un seul type de cellules souches. Mais les preuves solides manquaient, et la nature et l'emplacement pr cis des cellules souches ont t contest s. Pour r soudre le probl me, et en fait pour comprendre l'organisation de tout syst me de cellules souches, nous devons d couvrir comment ses cellules sont li es les unes aux autres qui Figure 22 3 D finition d'une cellule souche. Chaque fille produite lors de la division d'une cellule souche peut soit rester une cellule souche, soit se diff rencier en phase terminale. Dans de nombreux cas, la fille qui opte pour la diff renciation terminale subit des divisions cellulaires suppl mentaires avant que la diff renciat
Biologie moléculaire de la cellule	ion terminale ne soit termin e ; De telles cellules sont appel es cellules amplificatrices de transit. Figure 22 4 Ad nome dans le c lon humain, compar un tissu normal d'une r gion adjacente du c lon de la m me personne. l' chantillon provient d'un patient pr sentant une mutation h r ditaire dans l'une de ses deux copies du g ne Apc. une mutation dans la copie de l'autre g ne Apc, survenant dans une cellule pith liale du c lon au cours de la vie adulte, a donn naissance un clone de cellules qui se comportent comme si la voie de signalisation wnt tait activ e en permanence. En cons quence, les cellules de ce clone forment un ad nome, une masse norme et en constante expansion de structures g antes ressemblant des cryptes. Figure 22 5 Analyse clonale l'aide d'un marqueur g n tique. Une m thode moderne de suivi de la lign e cellulaire utilise des animaux transg niques contenant deux transg nes, qui ensemble d terminent l'expression d'une prot ine marqueur facilement d tect e et h r ditaire dans un petit sous-ensemble de cellules souches. le premier transg ne (en haut) porte deux s quences codant pour des prot ines adjacentes, GFP et CreERT2, toutes deux exprim es sous le contr le du promoteur Lgr qui n'est actif que dans les cellules souches et non dans leur descendance diff renci e. La GFP code pour la prot ine fluorescente verte (voir chapitre 9), qui est utilis e ici simplement pour confirmer l'expression dans l'ensemble de la population de cellules souches. le g ne CreERT2 code pour une forme chim rique de la Cre recombinase appel e CreeRt, qui consiste en une Cre recombinase li e la prot ine r ceptrice des strog nes ; Cette enzyme ne devient active en tant que recombinase que lorsqu'elle se lie au tamoxif ne, un analogue de l' strog ne artificiel. le second transg ne (en bas) porte un g ne marqueur, LacZ, sous le contr le d'un promoteur actif dans toutes les cellules. le g ne LacZ code pour la -galactosidase, une enzyme qui peut tre d tect e histochimiquement dans les tissus (voir Figure 7-28). cependant, l'expression de LacZ dans le transg ne montr ici est emp ch e par une s quence bloquante (rouge) flanqu e de sites LoxP (rose ; voir Figure 5 66). lorsque le tamoxif ne est fourni, CreeRt devient actif, ce qui entra ne un v nement de recombinaison qui supprime la s quence d'ADN bloquante (et laisse un site LoxP derri re lui). en cons quence, le marqueur lacZ est exprim . Parce que ce changement est h r ditaire, le marqueur continue d' tre exprim dans toutes les cellules descendant de celles dans lesquelles un v nement de recombinaison s'est produit. Avec une faible dose de la mol cule inductrice tamoxif ne, il est possible d'activer le marqueur au hasard dans seulement quelques cellules largement espac es, ce qui, au fil du temps, donne naissance des clones de descendance largement s par s et facilement distingu s (voir Figure 22 6). descend de qui, ou, de mani re quivalente, quelle descendance sera produite partir d'une cellule donn e. La meilleure fa on de le faire est d'utiliser un marqueur h r ditaire qui peut tre activ dans une cellule individuelle, permettant ainsi l'identification du clone de la descendance descendant de cette cellule. Une m thode moderne utilise des animaux transg niques pour cr er une marque g n tique visible dans seulement quelques cellules largement espac es, qui, au fil du temps, donnent naissance des clones de descendance largement s par s et facilement reconnaissables, comme expliqu dans la figure 22-5. Une recherche parmi les g nes qui sont fortement r gul s la hausse en r ponse la signalisation Wnt a r v l que l'un d'entre eux, appel Lgr5, est exprim sp cifiquement dans les cellules souches intestinales. La technique d crite la figure 22-5 peut tre utilis e pour cr er une marque g n tique dans un sous-ensemble al atoire de cellules exprimant Lgr5, une marque h rit e par la descendance de chaque cellule. Ces cellules Lgr5 se divisent avec un temps de cycle d'environ 24 heures, et en quelques jours, des clones marqu s s' tendent de la base de la crypte jusqu'aux c t s des villosit s. Apr s 60 jours ou plus, bon nombre de ces clones persistent encore, conservant un ou plusieurs membres la base de la crypte et s' tendant jusqu'aux extr mit s des villosit s (Figure 22 6). De plus, chaque clone contient g n ralement tous les principaux types de cellules intestinales diff renci es (absorbantes, gobelettes, Paneth et ent roendocrines) dans leurs proportions normales. Les cellules exprimant Lgr5 sont donc de v ritables cellules souches multipotentes, c'est- -dire capables de g n rer un ensemble diversifi de types de cellules diff renci es. 1 jour 5 jours 60 jours Figure 22 6 Cellules souches exprimant Lgr5 et leur descendance dans l'intestin gr le. la m thode illustr e la figure 22-5 a t utilis e ici pour marquer des cellules souches intestinales uniques et retracer le destin de leur prog niture. le g ne Lgr5 code pour un mem
Biologie moléculaire de la cellule	bre de la famille des r cepteurs transmembranaires li s aux prot ines G, et il est exprim sp cifiquement dans les cellules souches pr s de la base de la crypte. parce que le promoteur Lgr5 a t utilis pour stimuler l'expression de CreERT2, le traitement avec une faible dose de tamoxif ne a entra n l'expression occasionnelle de cellules souches de LacZ. Ces cellules et toute leur descendance ont pu tre d tect es par la suite avec une coloration histochimique bleue. toutes les cellules bleues de ces images d rivent d'une seule cellule souche exprimant Lgr5. Apr s 60 jours, on voit la prog niture bleue de cette cellule s' tendre jusqu'au sommet d'une villosit . on peut montrer que ces descendants de 100 m comprennent tous les types de cellules diff renci es, ainsi que persistantes les deux filles d'une cellule souche n'ont pas toujours de cellules exprimant Lgr5 la base de la crypte. devenir diff rents, cela prouve que les cellules exprimant Lgr5 sont des cellules souches multipotentes. (D'apr s n. barker et Si le nombre de cellules souches dans une crypte doit rester stable, chaque division de cellules souches al., Nature 449:1003 1007, 2007. avec doit en moyenne g n rer une fille qui reste une cellule souche et une autre qui a la permission de Macmillan Publishers Ltd.) s'engage se diff rencier. En principe, cela pourrait se faire d'au moins deux fa ons (figure 22 7). L'un des m canismes, le plus simple premi re vue, serait la division asym trique : les processus internes la cellule souche en division pourraient distribuer des facteurs r gulateurs de mani re asym trique ses deux filles, comme cela se produit dans les divisions des neuroblastes de la drosophile (voir Figure 21-36). Les facteurs h rit s par une fille l'am neraient rester une cellule souche, tandis que ceux h rit s par l'autre la conduiraient la diff renciation. Cette strat gie garantirait que la cellule souche d'origine donnerait naissance pr cis ment une cellule souche chaque g n ration de cellules subs quente. Une strat gie alternative serait bas e sur un choix que chaque fille fait ind pendamment de sa s ur : dans des circonstances normales, chacune aurait une probabilit de 50 % de rester une cellule souche et une probabilit de 50 % de s'engager dans la diff renciation. Parfois, les deux filles d'une cellule souche auraient ainsi des destins oppos s, parfois identiques. Le choix de chaque cellule peut tre soit stochastique, comme le tirage pile ou face, soit r gi par l'environnement dans lequel la cellule se trouve. Une strat gie d'ind pendance les choix est plus souple que celui de la division asym trique stricte. En particulier, les facteurs environnementaux peuvent contr ler la balance des probabilit s, en les ajustant en faveur de l'option des cellules souches o davantage de cellules souches sont n cessaires, comme c'est souvent le cas, soit pour la croissance, soit pour la r paration des dommages. L'analyse clonale permet de distinguer les deux strat gies, car elles donnent des pr dictions tr s diff rentes quant au nombre attendu de clones de diff rentes tailles produits partir de cellules souches individuelles (voir Figure 22-7). Pour l'intestin, les r sultats semblent clairs : la th orie du choix ind pendant correspond aux observations, et la th orie de la division asym trique ne le fait pas. Les cellules paneth cr ent la niche des cellules souches Il y a environ 15 cellules souches exprimant Lgr5 dans chaque crypte. Ils sont minces et colonnaires, et ils se trouvent la base de la crypte intercal e entre les cellules de Paneth (voir Figure 22-6). Il s'agit de la niche des cellules souches intestinales : les cellules de Paneth g n rent des signaux, dont un fort signal Wnt, qui agissent sur une courte port e pour maintenir l' tat des cellules souches. Les prot ines de signal du tissu conjonctif entourant la base de la crypte aident renforcer le signal de localisation des cellules de Paneth ; Lgr5 lui-m me est un r cepteur de l'une de ces prot ines, appel e R-spondine. Dans l'intestin, il semble que la niche cr e par les cellules de Paneth n'ait de la place que pour un nombre limit de cellules souches, et lorsque celles-ci se divisent, c'est un R SULTATS POSSIBLES apr s le premier cycle de division de la cellule souche apr s le premier cycle de division de la cellule souche Cellule diff renci e en phase terminale apr s le deuxi me cycle de division de la cellule souche apr s le deuxi me cycle de division de la cellule souche R SULTATS POSSIBLES, etc., etc. Les facteurs environnementaux des cellules diff renci es en phase terminale aident d terminer le destin de la cellule ou ou le choix d termin par l'asym trie dans la division Choix de la cellule souche d termin stochastiquement et/ou par l'environnement localis d terminant Figure 22 7 Deux fa ons pour une cellule souche de produire des filles de destins diff rents : la division asym trique et le choix ind pendant. (a) La strat gie de d
Biologie moléculaire de la cellule	ivision asym trique donne un clone compos pr cis ment d'une cellule souche et d'un nombre constamment croissant de cellules diff renci es, proportionnellement au nombre de divisions cellulaires. (b) la strat gie du choix ind pendant est plus variable dans son r sultat. Avec un choix fait au hasard par chaque fille et avec une probabilit de 50 % que chacune reste une cellule souche ou se diff rencie, il y a, par exemple, 25 % de chances la premi re division que les deux filles se diff rencient, de sorte que le clone finisse par s' teindre. Ou, lors de cette division ou plus tard, une pr pond rance de filles peut conserver le caract re des cellules souches, cr ant ainsi un clone qui persiste et augmente en taille. l'aide de quelques math matiques, la distribution de probabilit des tailles de clones g n r s partir d'une seule cellule souche un moment donn peut tre pr dite sur cette hypoth se stochastique. Les observations dans l'intestin et ailleurs correspondent la strat gie stochastique du choix ind pendant, mais pas la strat gie de division asym trique. Lesquelles d'entre elles sont pouss es hors du nid et condamn es la diff renciation et qui restent en place en tant que cellules souches pour l'avenir. Dans la plupart des autres syst mes de cellules souches o la question a t examin e, il semble que les destins des filles d'une cellule souche soient assign s de mani re similaire, ind pendamment et sous l'influence de l'environnement des cellules. Les cellules de Paneth elles-m mes sont la descendance des cellules souches, ce qui sugg re que le syst me de cellules souches intestinales est d'une certaine mani re auto-entretenu et auto-organis . Ceci est d montr de mani re frappante en prenant des cellules uniques dissoci es exprimant Lgr5 et en leur permettant de prolif rer en culture, int gr es dans une matrice acellulaire riche en laminine, composant de la lame basale (imitant la lame basale). Les cellules prolif rent, formant d'abord de petites v sicules pith liales rondes. En quelques jours, cependant, l'une ou l'autre des cellules de la v sicule, au hasard, commence se diff rencier en cellule de Paneth. Cela induit ses voisines se comporter comme des cellules souches et initie la transformation de la v sicule simple en une structure organis e, ou organo de (Figure 22 8A, B). Des protub rances ressemblant des cryptes se d veloppent dans la matrice environnante et contiennent des cellules de Paneth, des cellules souches exprimant Lgr5 et les cellules amplificatrices de transit qui en sont d riv es ; Ces types de cellules sont confin s les structures cryptiques. Des cellules absorbantes diff renci es en phase terminale et non divis es tapissent les autres parties de l' pith lium organo de, avec leurs microvillosit s tourn es vers la lumi re. Des cellules caliciformes et ent roendocrines sont galement pr sentes, dispers es dans l' pith lium, et toute la structure du mini-intestin , avec tous ses types de cellules, se d veloppe et se renouvelle de la m me mani re que la muqueuse de l'intestin normal. Figure 22 8 Gen se d'un mini-intestin partir d'une seule cellule exprimant Lgr5 cultiv e dans une matrice acellulaire. (a,b) La cellule fondatrice se divise d'abord pour former une petite v sicule. Au hasard, une ou plusieurs cellules de cette v sicule se diff rencient en une cellule de Paneth (en bleu). cette cellule maintient l'expression de Lgr5 (jaune) chez ses voisins imm diats, qui persistent en tant que cellules souches qui g n rent toute la gamme des types de cellules intestinales. (C) Sch ma des signaux d'organisation cl s. Les cellules de Paneth organisent les cryptes en produisant un signal WNT qui agit sur les cellules voisines et les maintient en prolif rant l' tat de cellules souches. Une interaction r pulsive bas e sur la liaison phrine-eph fait que les types de cellules cryptiques (qui expriment l'EPHB, induit par le WNT) se s parent des types de cellules villosit s diff renci es non divis es (qui expriment l' phrinb). L' phrine et l'eph sont toutes deux des prot ines de surface cellulaire attach es la membrane plasmique ; dans de nombreux tissus, deux cellules qui contiennent un membre diff rent de cette paire se repoussent lorsqu'elles se touchent (voir Figure 21-49). (adapt de t. Sato et h. Clevers, Science 340:1190-1194, 2013. avec la permission de aaaS.) La signalisation ephrin-eph entra ne la s gr gation des diff rents types de cellules intestinales Le remarquable comportement auto-organisateur des organo des cultiv s sugg re qu'une certaine interaction entre les diff rentes cellules pith liales les pousse se s parer les unes des autres. La voie de signalisation phrine-Eph (discut e au chapitre 15) semble tre responsable. Les cellules qui vivent dans les cryptes expriment les prot ines du r cepteur EphB, tandis que les cellules absorbantes, caliciformes et ent roendocrines, lorsqu'elles commencent se diff rencier, d sactivent l'express
Biologie moléculaire de la cellule	ion de ce r cepteur et activent la place l'expression de ses ligands, les prot ines de surface cellulaire de la famille EphrinB (Figure 22-8C). Dans divers autres tissus, les cellules exprimant les prot ines Eph sont repouss es par les contacts avec les cellules exprimant des phrines leur surface (voir figures 21-49 et 21-79). Il semble qu'il en soit de m me dans la muqueuse intestinale, et que ce m canisme sert maintenir les cellules s par es et leur place. Chez les mutants knock-out EphB, les populations se m langent, de sorte que, par exemple, les cellules de Paneth se prom nent sur les villosit s. La signalisation contr le la diversification des cellules intestinales et aide maintenir l' tat des cellules souches Si un seul type de cellule souche g n re tous les types de cellules diff renci es dans la muqueuse intestinale, qu'est-ce qui cause la filiation de cette cellule souche se diversifier ? La signalisation Notch joue ce r le dans de nombreux autres syst mes, o elle m die l'inhibition lat rale, une interaction comp titive qui pousse les cellules voisines vers des destins diff rents (voir Figure 15-58 et Figure 21-35). Tous les composants essentiels du parcours Notch s'expriment dans les cryptes ; il semble que la signalisation Wnt les y maintienne. Si la signalisation Notch est brusquement bloqu e, en quelques jours, toutes les cellules des cryptes se diff rencient en cellules caliciformes, et les cellules absorbantes cessent d' tre produites ; l'inverse, si la signalisation Notch est activ e artificiellement dans toutes les cellules, les cellules absorbantes continuent EN CRYPTE, g n rer mais aucune cellule caliciforme n'est produite. Cela refl te le m canisme d'inhibition lat rale l' uvre chez les animaux normaux : les cellules caliciformes naissantes (et d'autres cellules s cr toires) expriment le ligand Delta de Notch et activent ainsi Notch chez leurs voisines, les emp chant de se diff rencier en tant que s cr toires (Figure 22-9). La signalisation Delta-Notch est cruciale non seulement dans la population amplifiant le transit, mais aussi la base de la crypte : les cellules de Paneth expriment Delta et cela active Notch dans les cellules souches, inhibant la diff renciation. Sans cette influence, les cellules souches perdent leur caract re particulier et se diff rencient en cellules s cr toires. Ainsi, le maintien de l' tat des cellules souches intestinales n cessite une combinaison de signaux, Wnt et Notch agissant tous deux comme des acteurs centraux. le syst me de cellules souches pidermiques maintient une barri re imperm able auto-renouvelable Les syst mes de cellules souches sont organis s de diff rentes mani res, mais ils partagent certains principes sous-jacents. Prenons l' piderme, par exemple, la couverture pith liale externe du corps. L' piderme subit un renouvellement continu, mais, contrairement la muqueuse de l'intestin, il est multicouche ou stratifi . Les cellules souches sont situ es dans la couche basale et leur prog niture se d place vers l'ext rieur vers la surface expos e, se diff renciant au fur et mesure. Ils finissent par devenir des cailles ou des squames sans vie, qui finissent par se d tacher de la surface de la peau (Figure 22 10). M me si l'architecture de ce tissu est tr s diff rente de celle de l'intestin, bon nombre des m mes principes de base s'appliquent. L'existence des cellules souches d pend de signaux provenant d'une niche sp cifique, dans ce cas, la lame basale et le tissu conjonctif sous-jacent. Les filles des cellules souches qui s'engagent dans la diff renciation subissent plusieurs divisions en tant que cellules amplifiantes de transit (alors qu'elles sont encore dans la couche basale) avant de se diff rencier. Enfin, un m canisme stochastique de choix ind pendant dicte le destin des filles d'une division de cellules souches, permettant d'augmenter le nombre de cellules souches lorsque n cessaire pour la croissance ou la cicatrisation des plaies. La plupart des voies de signalisation qui organisent le syst me de cellules souches intestinales sont galement impliqu es dans la r gulation du syst me de cellules souches pidermiques, bien qu'avec des r les individuels diff rents. Figure 22 9 Comment la signalisation Notch, en combinaison avec Wnt, maintient les cellules souches et stimule la diversification cellulaire dans l'intestin. La signalisation Wnt conduit l'expression de Notch et Delta dans les cellules de la crypte, et la signalisation Delta-Notch dans la crypte m die l'inhibition lat rale entre les cellules adjacentes. Les cellules exprimant des niveaux plus lev s de delta finissent par activer l'encoche chez leurs voisines, adoptent un destin s cr toire et cessent de se diviser ; Leurs voisins, avec l'encoche activ e, sont emp ch s de se diff rencier et continuent se diviser. Essentiellement, le m me processus fonctionne la base de la crypte, o les cellules de Paneth expriment des niveaux plus lev s de
Biologie moléculaire de la cellule	delta pour emp cher les cellules souches de se diff rencier, et dans la population amplifiant le transit, o les cellules s cr toires naissantes expriment des niveaux plus lev s de delta. La division se poursuit dans les cellules activ es par l'encoche au fur et mesure qu'elles remontent la crypte, jusqu' ce qu'elles chappent l'influence du TNT et mergent sur les villosit s pour devenir des cellules absorbantes. squame sur le point de se d tacher de la surface des feuillets de k ratine tissu conjonctif de la cellule basale se divisant Figure 22 10 La structure multicouche de l' piderme, telle qu'on la voit sur la peau fine d'une souris. (a) L' piderme forme la couverture externe de la peau, cr ant une barri re imperm able qui s'auto-r pare et se renouvelle continuellement. En dessous se trouve une couche relativement paisse de tissu conjonctif, qui comprend le derme dur et riche en collag ne ( partir duquel le cuir est fabriqu ) et la couche sous-cutan e graisseuse sous-jacente ou hypoderme. Les cellules de l' piderme sont appel es k ratinocytes, car leur activit diff renci e caract ristique est la synth se de prot ines de filaments interm diaires de k ratine, qui donnent l' piderme sa t nacit . Ces cellules changent d'apparence et de propri t s d'une couche l'autre, progressant travers un programme r gulier de diff renciation. Celles de la couche la plus interne, attach es une lame basale sous-jacente, sont appel es cellules basales, et ce sont g n ralement seulement celles-ci qui se divisent : la population de cellules basales comprend un nombre relativement faible de cellules souches ainsi qu'un plus grand nombre de cellules amplifiant le transit qui en sont d riv es. Au-dessus des cellules basales se trouvent plusieurs couches de cellules pineuses plus grandes, illustr es en vue de dessus en (b), dont les nombreux desmosomes chacun tant un site d'ancrage pour d' paisses touffes de filaments de k ratine sont peine visibles au microscope optique sous la forme de minuscules aiguillons autour de la surface cellulaire. Au-del des cellules pineuses se trouve la fine couche cellulaire granulaire coloration sombre, o les cellules sont scell es ensemble pour former une barri re tanche ; Celle-ci marque la limite entre les strates internes, m taboliquement actives, et la couche la plus externe de l' piderme, constitu e de cellules mortes dont les organites intracellulaires ont disparu. Ces cellules les plus externes sont r duites des cailles aplaties, ou squames, remplies de k ratine dens ment tass e, qui finissent par se d tacher de la surface de la peau. Le temps entre la sortie d'une cellule de la couche basale et sa perte par mue la surface est d'une semaine ou deux, selon la r gion du corps et l'esp ce. En plus des cellules destin es la k ratinisation, les couches profondes de l' piderme comprennent un petit nombre de cellules (non repr sent es) qui envahissent ce tissu et ont des origines et des fonctions tr s diff rentes. Ces immigrants comprennent des cellules dendritiques, appel es cellules de Langerhans, d riv es de la moelle osseuse et appartenant au syst me immunitaire ; les m lanocytes (cellules pigmentaires) d riv s de la cr te neurale ; et les cellules de Merkel, qui sont associ es avec des terminaisons nerveuses dans l' piderme. (b, d'apr s R.v. krsti c, ultrastructure of the mammalian Cell : an atlas. berlin : Springer-verlag, 1979.) Renouvellement tissulaire qui ne d pend pas des cellules souches : cellules s cr trices d'insuline dans le pancr as et h patocytes dans le foie Certains types de cellules peuvent se diviser m me s'ils sont compl tement diff renci s, ce qui permet le renouvellement et la r g n ration sans l'utilisation de cellules souches. Les cellules s cr trices d'insuline (cellules ) du pancr as en sont un exemple. Leur mode de renouvellement rev t une importance particuli re, car c'est la perte de ces cellules (par attaque auto-immune) qui est responsable du diab te de type 1 (juv nile) ; Ils sont galement un facteur important dans la forme de type 2 (apparition l' ge adulte) de la maladie. Les cellules sont normalement s questr es dans des amas de cellules appel s lots de Langerhans. Ces lots ne contiennent pas de sous-ensemble vident de cellules sp cialis es pour agir en tant que cellules souches, mais des cellules fra ches sont continuellement g n r es en leur sein. Des tudes de tra age de lign es, similaires celles d crites ci-dessus pour l'intestin, montrent que le renouvellement de cette population se produit normalement par simple duplication des cellules exprimant l'insuline existantes, et non au moyen de cellules souches. Un autre tissu qui peut se renouveler par simple duplication de cellules enti rement diff renci es est le foie. Le principal type de cellule du foie est l'h patocyte, une grande cellule qui remplit les fonctions m taboliques du foie. Les h patocytes vivent normalement un an ou plus et se renou
Biologie moléculaire de la cellule	vellent par division cellulaire un rythme tr s lent. De puissants m canismes hom ostatiques permettent d'ajuster le taux de prolif ration cellulaire ou le taux de mort cellulaire, ou les deux, afin de maintenir l'organe sa taille normale ou de le restaurer cette taille en cas de dommage. Un effet spectaculaire est observ si un grand nombre d'h patocytes sont enlev s chirurgicalement ou sont tu s par empoisonnement au t trachlorure de carbone. Dans un d lai d'environ un jour apr s l'un ou l'autre type de dommage, une pouss e de division cellulaire se produit parmi les h patocytes survivants, rempla ant rapidement le tissu perdu. Si les deux tiers du foie d'un rat sont enlev s, par exemple, un foie de taille presque normale peut se r g n rer partir du reste par prolif ration h patocytaire en deux semaines environ. Le pancr as et le foie contiennent de petites populations de cellules souches qui peuvent tre appel es en jeu comme m canisme de sauvegarde pour la production des types de cellules diff renci es dans des circonstances plus extr mes. Cela conf re de la r silience aux m canismes de renouvellement et de r paration. Certains tissus manquent de cellules souches et ne sont pas renouvelables La vari t entre les tissus dans la capacit d'auto-renouvellement est illustr e de mani re frappante en comparant l' pith lium olfactif du nez, l' pith lium auditif de l'oreille interne et l' pith lium photor ceptif de la r tine. Ces trois structures sensorielles, qui, comme l' piderme, se d veloppent partir de la couche ectodermique de l'embryon pr coce, diff rent radicalement dans leurs capacit s d'auto-renouvellement. L' pith lium olfactif contient une population de cellules souches qui donnent naissance des cellules diff renci es qui ont une dur e de vie limit e et sont continuellement remplac es. Mais contrairement l' piderme, ces cellules diff renci es (les cellules r ceptrices olfactives) sont des neurones, avec des corps cellulaires situ s dans l' pith lium olfactif et des axones qui s' tendent jusqu'aux lobes olfactifs du cerveau. Le renouvellement continu de cet pith lium implique donc une production continue d'axones frais, qui doivent retourner aux sites appropri s dans le cerveau. En revanche, chez les mammif res du moins, l' pith lium auditif et l' pith lium r tinien manquent de cellules souches, et leurs cellules r ceptrices sensorielles les cellules cili es sensorielles de l'oreille, les photor cepteurs de la r tine sont irrempla ables. S'ils sont d truits, que ce soit par une trop grande exposition un bruit fort, en regardant dans le faisceau d'un laser ou par des processus d g n ratifs un ge avanc , la perte est permanente. De nombreux tissus du corps des mammif res adultes sont continuellement renouvel s par les cellules souches. Les cellules souches, par d finition, ne sont pas diff renci es en phase terminale et ont la capacit de se diviser tout au long de la vie de l'organisme, produisant une descendance qui se diff rencie et d'autres qui restent des cellules souches. La muqueuse de l'intestin se renouvelle plus rapidement que tout autre tissu du corps des mammif res et fournit un paradigme pour le fonctionnement des syst mes de cellules souches. Dans l'intestin gr le, il y a un flux ascendant continu des cryptes, o de nouvelles cellules sont g n r es par la division cellulaire, vers des villosit s compos es de cellules diff renci es non divis es. Signalisation Wnt maintient la prolif ration cellulaire dans les cryptes, et la suractivation de la voie Wnt donne naissance des tumeurs. Les cellules souches se trouvent la base de chaque crypte et se distinguent par l'expression de Lgr5 et de certains autres g nes. Les cellules souches Lgr5+ sont multipotentes, chacune capable de g n rer plusieurs types diff rents de cellules diff renci es ainsi que de nouvelles cellules souches. L' quilibre des choix de destin est ajust en fonction des besoins, ce qui permet d'augmenter le nombre de cellules souches l o il en faut davantage pour la croissance ou la r paration. Dans un milieu de culture acellulaire appropri , une seule cellule souche Lgr5+ peut g n rer un mini-intestin auto-organis , contenant tous les types de cellules pith liales intestinales standard. D'autres pith liums auto-renouvel s, tels que l' piderme avec son architecture multicouche (stratifi e), ont des cellules souches et leur descendance diff renciatrice dispos es de diff rentes mani res mais sont r gies par des principes de base similaires. Cependant, le renouvellement et la r paration des tissus ne doivent pas toujours d pendre des cellules souches. Ainsi, la population de cellules productrices d'insuline dans le pancr as est largie et renouvel e par simple duplication des cellules productrices d'insuline existantes. De m me, dans le foie, les h patocytes diff renci s restent capables de se diviser tout au long de la vie et peuvent augmenter consid rablement leur taux de division lorsque
Biologie moléculaire de la cellule	le besoin s'en fait sentir. l'oppos , certains tissus, comme les pith liums sensoriels de l'oreille et de l' il, ne subissent aucun renouvellement et ne sont pas renouvelables : leurs cellules, une fois perdues, sont perdues jamais. FibRoblaStS et leur tRanSFoRmationS : la famille des cellules ConneCtive-tiSSue Des pith liums, avec leurs mod les vari s de renouvellement et leur norme vari t de fonctions protectrices, absorbantes, s cr toires, sensorielles et biosynth tiques, nous nous tournons maintenant vers les tissus conjonctifs. Les tissus conjonctifs sont g n ralement constitu s de cellules dispers es dans une matrice extracellulaire qu'ils s cr tent eux-m mes, comme nous l'avons vu au chapitre 19. Ils proviennent de la couche m sodermique (moyenne) de l'embryon pr coce, prise en sandwich entre l'ectoderme et l'endoderme (voir chapitre 21, figure 21-3). Dans le corps adulte, pratiquement tous les pith liums sont soutenus par un lit de tissu conjonctif, ou stroma ; et des types sp cialis s de tissu conjonctif, tels que les os, le cartilage et les tendons, forment le cadre de soutien du corps dans son ensemble. Non moins important que son r le m canique, le tissu conjonctif contient galement les vaisseaux sanguins qui apportent l'oxyg ne et la nourriture dont d pendent toutes les cellules. Les cellules du syst me immunitaire parcourent le tissu conjonctif, entrant et sortant des vaisseaux sanguins et lymphatiques, et fournissent une d fense contre les infections ; et travers les mailles du tissu conjonctif courent les nerfs p riph riques. Les muscles qui nous permettent de bouger sont galement int gr s dans le tissu conjonctif. De ces nombreuses fa ons, les cellules qui forment le tissu conjonctif et synth tisent ses diff rents types de matrice extracellulaire contribuent au soutien et la r paration de presque tous les tissus et organes. Les cellules du tissu conjonctif appartiennent une famille de types de cellules apparent es par leur origine, et elles sont souvent remarquablement interconvertibles. La famille comprend des fibroblastes, des cellules cartilagineuses et des cellules osseuses, qui sont toutes sp cialis es dans la s cr tion de matrice extracellulaire collag ne et sont conjointement responsables du cadre architectural du corps. La famille du tissu conjonctif comprend galement les cellules adipeuses (adipocytes) et les cellules musculaires lisses. La figure 22 11 illustre ces types de cellules et les interconversions qui se sont produites entre elles. L'adaptabilit du caract re diff renci des cellules du tissu conjonctif est une caract ristique importante des r ponses de nombreux types de dommages. Les fibroblastes changent de caract re en r ponse des signaux chimiques et physiques Les fibroblastes semblent tre les cellules les moins sp cialis es de la famille du tissu conjonctif. Ils sont dispers s dans le tissu conjonctif dans tout le corps, o ils s cr tent une matrice extracellulaire non rigide riche en collag ne de type I ou de type III, ou les deux, comme nous l'avons vu au chapitre 19. Lorsqu'un tissu est bless , les fibroblastes proximit prolif rent, migrent dans la plaie (Vid o 22.1) et produisent de grandes quantit s de matrice collag ne qui aide isoler et r parer les tissus endommag s. Leur capacit prosp rer face aux blessures, ainsi que leur mode de vie solitaire, peuvent expliquer pourquoi les fibroblastes sont les cellules les plus faciles cultiver une caract ristique qui en a fait un sujet de pr dilection pour les tudes de biologie cellulaire. Figure 22 11 La famille des cellules du tissu conjonctif. Les fl ches montrent les interconversions qui se produisent au sein de la famille. Pour simplifier, le fibroblaste est repr sent comme un seul type de cellule, mais il n'est pas certain du nombre de types de fibroblastes existants et si le potentiel de diff renciation des diff rents types est limit de diff rentes mani res. Une classe de cellules de tissu conjonctif dans la moelle osseuse, appel es cellules stromales de la moelle osseuse, fournit un exemple de polyvalence radicale du tissu conjonctif. Ces cellules, qui peuvent tre consid r es comme une sorte de fibroblaste, peuvent tre isol es de la moelle osseuse et propag es en culture. De grands clones de descendance peuvent tre g n r s de cette mani re partir de cellules stromales ancestrales uniques. Selon les conditions de culture, les membres d'un tel clone peuvent soit continuer prolif rer pour produire plus de cellules du m me type, soit se diff rencier en cellules adipeuses, en cellules cartilagineuses ou en cellules osseuses. Le destin des cellules d pend de signaux physiques et chimiques : int gr es dans une matrice rigide et inflexible, elles ont tendance se transformer en cellules osseuses, tandis que dans une matrice plus molle et plus lastique, elles ont tendance se transformer en cellules graisseuses. Cet effet est m di par une voie intracellulaire qui
Biologie moléculaire de la cellule	r pond la tension dans les faisceaux d'actine-myosine et relaie un signal des r gulateurs de transcription sp cifiques dans le noyau (Figure 22 12). En raison de leur caract re multipotent et auto-renouvel , les cellules stromales de la moelle osseuse et d'autres cellules ayant des propri t s similaires sont appel es cellules souches m senchymateuses. Le cartilage et l'os sont des tissus de caract res tr s diff rents ; mais ils sont troitement li s dans leur origine, et la formation du squelette d pend d'un partenariat intime entre eux. Le tissu cartilagineux est structurellement simple, compos de cellules d'un seul type les chondrocytes int gr es dans une matrice plus ou moins uniforme et tr s hydrat e compos e de prot oglycanes et de collag ne de type II (discut e au chapitre 19). La matrice cartilagineuse est d formable et le tissu se d veloppe en se dilatant mesure que les chondrocytes se divisent et s cr tent plus de matrice (Figure 22-13). L'os, en revanche, est dense et rigide ; Il cro t par apposition, c'est- -dire par d p t de matrice suppl mentaire sur des surfaces libres. Comme le b ton arm , la matrice osseuse est principalement un m lange de fibres dures (fibrilles de collag ne de type I), qui r sistent aux forces de traction, et de particules solides (phosphate de calcium sous forme de cristaux d'hydroxylapatite), qui r sistent la compression. La matrice osseuse est s cr t e par des ost oblastes qui se trouvent la surface de la matrice existante et y d posent de nouvelles couches d'os. Certains ost oblastes restent libres la surface, tandis que d'autres s'incrustent progressivement dans leur propre s cr tion. Cette mati re fra chement form e (compos e principalement de collag ne de type I) est rapidement transform e en matrice osseuse dure par le d p t de cristaux de phosphate de calcium. Une fois emprisonn e dans une matrice dure, la cellule osseuse d'origine, maintenant appel e ost ocyte, n'a pas la possibilit de se diviser, bien qu'elle continue s cr ter de la matrice suppl mentaire en petites quantit s autour d'elle. L'ost ocyte, comme le chondrocyte, occupe une petite cavit , ou lacune, dans la matrice, mais contrairement au chondrocyte Figure 22 12 Contr le de la diff renciation des fibroblastes par les propri t s physiques de la matrice extracellulaire. Sur une matrice rigide, les cellules forment de fortes adh rences, s' talent et ont tendance se transformer en cellules osseuses. Sur une matrice molle, o les cellules sont incapables de former des ancrages solides, elles ne parviennent pas se propager et ont tendance se diff rencier en cellules graisseuses. ces effets d pendent des r gulateurs de transcription (prot ines yap et taZ) qui se d placent dans le noyau cellulaire en r ponse la tension d velopp e dans les faisceaux d'actine-myosine dans le cytoplasme. (d'apr s S. dupont et al., Nature 474:179-183, 2011.) Figure 22 13 La croissance du cartilage. Le tissu se dilate mesure que les chondrocytes se divisent et forment plus de matrice. La matrice fra chement synth tis e dont chaque cellule s'entoure est nuanc e de vert fonc . Le cartilage peut galement se d velopper en recrutant des fibroblastes dans les tissus environnants et en les convertissant en chondrocytes. ost oblaste ost o de (nouvelle matrice osseuse non calcifi e) Matrice osseuse ancienne et calcifi e Il n'est pas isol de son Boursiers. De minuscules canaux, ou canalicules, rayonnent partir de chaque lacune et contiennent les processus cellulaires de l'ost ocyte r sident, ce qui lui permet de former des jonctions lacunaires avec les ost ocytes adjacents (Figure 22 14). Les vaisseaux sanguins et les nerfs traversent les tissus, maintenant les cellules osseuses en vie et r agissant lorsque l'os est endommag . Un os mature a une architecture complexe et belle, dans laquelle des plaques denses de tissu osseux compact entourent des espaces entour s de l gers cadres d'os trab culaire un filigrane de tiges d licates et de arcs-boutants de tissu osseux, avec une moelle molle dans les interstices (Figure 22-15). La cr ation, l'entretien et la r paration de cette structure d pendent non seulement des cellules de la famille du tissu conjonctif qui synth tisent la matrice, mais aussi d'une classe distincte de cellules appel es ost oclastes qui la d gradent, comme nous l'expliquons ci-dessous. l'os est continuellement remodel par les cellules qu'il contient Malgr toute sa rigidit , l'os n'est en aucun cas un tissu permanent et immuable. travers la matrice extracellulaire dure se trouvent des canaux et des cavit s occup s par des cellules vivantes, qui repr sentent environ 15% du poids de l'os compact. Ces cellules sont engag es dans un processus incessant de remodelage : alors que les ost oblastes d posent de nouvelle matrice osseuse, les ost oclastes d molissent l'ancienne matrice osseuse. Ce m canisme permet un renouvellement et un remplacement continus de la matrice l'int rieu
Biologie moléculaire de la cellule	r de l'os. Les ost oclastes (figures 22 16) sont de grandes cellules multinucl es qui proviennent, comme les macrophages, de cellules souches h matopo tiques de la moelle osseuse (voir plus loin Figure 22 14 D p t de matrice osseuse par les ost oblastes. Les ost oblastes qui tapissent la surface de l'os s cr tent la matrice organique de l'os (ost o de) et sont convertis en ost ocytes lorsqu'ils s'incrustent dans cette matrice. La matrice se calcifie peu de temps apr s avoir t d pos e. On pense que les ost oblastes eux-m mes d rivent de cellules souches ost og niques troitement li es aux fibroblastes. Figure 22 15 Os trab culaire et compact. (a) Micrographie lectronique balayage faible grossissement de l'os trab culaire d'une vert bre d'un homme adulte. Le tissu mou de la moelle a t dissous. (b) Une tranche travers la t te du f mur, avec la moelle osseuse et d'autres tissus mous galement dissous, r v le l'os compact de la diaphyse et l'os trab culaire l'int rieur. En raison de la fa on dont le tissu osseux se remod le en r ponse une charge m canique, les trab cules s'orientent le long des principaux axes de stress l'int rieur de l'os. (a, avec l'aimable autorisation d'Alan Boyde ; b, d'apr s J.B. Kerr, atlas of Functional histology. Mosby, 1999.) matrice matrice d'ost oclaste Figure 22 16 Ost oclastes. a) Dessin d'un ost oclaste en coupe transversale. Cette cellule g ante et multinucl e rode la matrice osseuse. La bordure bouriff e est un site de s cr tion d'acides (pour dissoudre les min raux osseux) et d'hydrolases (pour dig rer les composants organiques de la matrice). Les ost oclastes varient en forme, sont mobiles et envoient souvent des processus pour r sorber l'os plusieurs endroits. Ils se d veloppent partir de monocytes et peuvent tre consid r s comme des macrophages sp cialis s. (b) un ost oclaste sur matrice osseuse, observ par microscopie lectronique balayage. L'ost oclaste a ramp sur la matrice, l'a rong e et a laiss une tra n e de fosses l o il l'a fait. (a, d'apr s R.v. krstic, ultrastructure of the mammalian Cell : an atlas. berlin : Springerverlag, 1979 ; b, avec l'aimable autorisation d'Alan Boyde.) dans ce chapitre). Les cellules pr curseurs sont lib r es dans la circulation sanguine et s'accumulent aux sites de r sorption osseuse, o elles fusionnent pour former les ost oclastes multinucl s, qui s'accrochent aux surfaces de la matrice osseuse et la rongent. Les ost oclastes sont capables de creuser des tunnels profond ment dans la substance de l'os compact, formant des cavit s qui sont ensuite envahies par d'autres cellules. Un capillaire sanguin se d veloppe au centre d'un tel tunnel, et les parois du tunnel sont tapiss es d'une couche d'ost oblastes (Figure 22-17). Ces ost oblastes d posent des couches concentriques de nouvelle matrice, qui remplissent progressivement la cavit , ne laissant qu'un canal troit entourant le nouveau vaisseau sanguin. En m me temps que certains tunnels se remplissent d'os, d'autres sont perc s par des ost oclastes, coupant travers des syst mes concentriques plus anciens. Figure 22 17 Le remodelage de l'os compact. ost oclastes, agissant ensemble en petit groupe, excavent un tunnel travers le vieil os, avan ant un rythme d'environ 50 m par jour. Les ost oblastes p n trent dans le tunnel derri re eux, tapissent ses parois et commencent former de nouveaux os, d posant des couches de matrice un rythme de 1 2 m par jour. Dans le m me temps, un capillaire germe au centre du tunnel. Le tunnel finit par se remplir de couches concentriques de nouvel os, avec seulement un canal central troit restant. Chacun de ces canaux, en plus de fournir une voie d'acc s pour les ost oclastes et les ost oblastes, contient un ou plusieurs vaisseaux sanguins qui transportent les nutriments dont les cellules osseuses ont besoin pour survivre. En r gle g n rale, environ 5 10 % de l'os d'un mammif re adulte en bonne sant est remplac de cette mani re chaque ann e. (d'apr s Z.F.G. Jaworski, b. duck et G. Sekaly, J. Anat. 133:397-405, 1981. Avec l'autorisation de Blackwell Publishing.) Les ost oclastes sont contr l s par les signaux des ost oblastes Les ost oblastes qui composent la matrice produisent galement les signaux qui recrutent et activent les ost oclastes pour la d grader. La perturbation de l' quilibre peut conduire l'ost oporose, o il y a une rosion excessive de la matrice osseuse et un affaiblissement de l'os, ou la condition oppos e, l'ost op trose, o l'os devient excessivement pais et dense. Les signaux hormonaux ont des effets puissants sur cet quilibre. L'utilisation chronique de corticost ro des, par exemple, peut provoquer l'ost oporose comme effet secondaire ; Mais cela peut tre trait par d'autres m dicaments qui r tablissent l' quilibre, y compris des agents qui bloquent les facteurs que les ost oblastes s cr tent pour recruter les ost oclastes. Les contr les locaux permettent l'os de
Biologie moléculaire de la cellule	se d poser un endroit pendant qu'il est r sorb un autre. Gr ce de tels contr les sur le processus de remodelage, les os sont dot s d'une capacit remarquable ajuster leur structure en r ponse aux variations long terme de la charge qui leur est impos e. C'est ce qui rend l'orthodontie possible, par exemple : une force constante appliqu e une dent avec un appareil orthodontique la fera se d placer progressivement, pendant plusieurs mois, travers l'os de la m choire, en remodelant le tissu osseux devant et derri re elle. L'os peut galement subir une reconstruction beaucoup plus rapide et spectaculaire lorsque le besoin s'en fait sentir. Certaines cellules capables de former de nouveaux cartilages persistent dans le tissu conjonctif qui entoure un os. Si l'os est cass , les cellules du voisinage de la fracture le r parent par un processus qui ressemble la fa on dont les os se d veloppent dans l'embryon : le cartilage est d'abord d pos pour combler l'espace et est ensuite remplac par de l'os. La capacit d'auto-r paration, illustr e de mani re si frappante par les tissus du squelette, est une propri t des structures vivantes qui n'a pas d' quivalent parmi les objets fabriqu s par l'homme de nos jours. La famille des cellules du tissu conjonctif comprend les fibroblastes, les cellules cartilagineuses, les cellules osseuses, les cellules adipeuses et les cellules musculaires lisses. Certaines classes de fibroblastes, telles que les cellules souches m senchymateuses de la moelle osseuse, semblent tre capables de se transformer en n'importe lequel des autres membres de la famille. Ces transformations du type cellulaire du tissu conjonctif sont r gul es par la composition de la matrice extracellulaire environnante, par la forme des cellules, ainsi que par les hormones et les facteurs de croissance. Le cartilage et l'os sont tous deux constitu s de cellules et d'une matrice solide que les cellules s cr tent autour d'elles-m mes : chondrocytes dans le cartilage, ost oblastes dans l'os (les ost ocytes tant des ost oblastes qui se sont retrouv s pi g s dans la matrice osseuse). La matrice du cartilage est d formable de sorte que le tissu peut se d velopper par gonflement, tandis que l'os est rigide et ne peut se d velopper que par apposition. Alors que les ost oblastes s cr tent de la matrice osseuse, ils produisent galement des signaux qui recrutent des monocytes de la circulation pour devenir des ost oclastes, qui d gradent la matrice osseuse. Gr ce aux activit s de ces classes de cellules antagonistes, l'os subit un remodelage perp tuel par lequel il peut s'adapter la charge qu'il porte et modifier sa densit en r ponse des signaux hormonaux. De plus, l'os adulte conserve la capacit de se r parer s'il est fractur , en r activant les m canismes qui ont r gi son d veloppement embryonnaire : les cellules situ es au voisinage de la cassure se transforment en cartilage, qui est ensuite remplac par l'os. Le terme muscle comprend de nombreux types de cellules, toutes sp cialis es pour la contraction, mais d'autres gards dissemblables. Comme nous l'avons not au chapitre 16, toutes les cellules eucaryotes poss dent un syst me contractile impliquant l'actine et la myosine, mais les cellules musculaires ont d velopp cet appareil un degr lev . Les mammif res poss dent quatre grandes cat gories de cellules sp cialis es pour la contraction : les cellules musculaires squelettiques, les cellules musculaires cardiaques (cardiaques), les cellules musculaires lisses, et les cellules myo pith liales (Figure 22 18). Ceux-ci diff rent par leur fonction, leur structure et leur d veloppement. Bien qu'ils g n rent tous des forces contractiles en utilisant des syst mes de filaments organis s bas s sur l'actine et la myosine II, les mol cules d'actine et de myosine employ es ont des s quences d'acides amin s quelque peu diff rentes, sont un faisceau de cellules musculaires lisses dispos es diff remment dans la cellule et sont associ es diff rents ensembles de prot ines qui contr lent la contraction. Dans cette section, nous nous concentrons sur les cellules musculaires squelettiques, qui sont responsables de pratiquement tous les mouvements qui sont sous contr le volontaire. Ces cellules peuvent tre tr s grandes (2 3 cm de long et 100 m de diam tre chez un humain adulte) et sont souvent appel es fibres musculaires en raison de leur forme tr s allong e. Chacun est un syncytium, contenant de nombreux noyaux dans un cytoplasme commun. Dans un muscle intact, ils sont troitement regroup s, avec des fibroblastes (et certaines cellules graisseuses) dans les interstices entre eux et des vaisseaux sanguins et des fibres nerveuses traversant les tissus. Les m canismes de contraction musculaire ont t abord s au chapitre 16. Ici, nous consid rons la strat gie inhabituelle par laquelle les cellules musculaires squelettiques multinucl es sont g n r es et maintenues. myoblastes fusionnent pour former d
Biologie moléculaire de la cellule	e nouvelles fibres musculaires squelettiques Au cours du d veloppement, certaines cellules, provenant tr s t t des somites d'un embryon de vert br , sont d termin es comme des myoblastes, pr curseurs des fibres musculaires squelettiques. Apr s une p riode de prolif ration, les myoblastes subissent un changement d' tat spectaculaire : ils cessent de se diviser, activent l'expression de toute une batterie de g nes sp cifiques aux muscles n cessaires la diff renciation terminale et fusionnent les uns avec les autres pour former des fibres musculaires squelettiques multinucl es (Figure 22-19). Une fois que la diff renciation et la fusion cellulaire ont eu lieu, les cellules ne se divisent pas et les noyaux ne r pliquent plus jamais leur ADN. Figure 22 18 Les quatre classes de cellules musculaires d'un mammif re. a) Sch mas ( l' chelle). (b e) Micrographies lectroniques balayage. Les fibres musculaires squelettiques (b, d'un hamster) sont des cellules g antes avec de nombreux noyaux et sont form es par fusion cellulaire. Les autres types de cellules musculaires sont plus conventionnels, n'ayant g n ralement qu'un seul noyau. Les cellules du muscle cardiaque (C, d'un rat) ressemblent aux fibres musculaires squelettiques en ce sens que leurs filaments d'actine et de myosine sont align s en rang es tr s ordonn es pour former une s rie d'unit s contractiles appel es sarcom res, de sorte que les cellules ont un aspect stri (ray ). les fl ches en (C) pointent vers des disques intercal s, des jonctions bout bout entre les cellules du muscle cardiaque ; Les cellules musculaires squelettiques des muscles longs sont jointes bout bout de la m me mani re. Les cellules musculaires lisses (d, de la vessie d'un cobaye) sont ainsi nomm es parce qu'elles ne semblent pas stri es ; Ils appartiennent la famille du tissu conjonctif et sont troitement li s aux fibroblastes. Notez que le muscle lisse est montr ici un grossissement plus faible que les autres types de muscles. Les fonctions des muscles lisses varient consid rablement, allant de la propulsion des aliments le long du tube digestif l' rection de poils en r ponse au froid ou la peur. Les cellules myo pith liales (c'est- -dire d'une alv ole s cr toire d'une glande mammaire de rat allaitant) n'ont pas non plus de stries, mais contrairement toutes les autres cellules musculaires, elles se trouvent dans l' pith lium et sont d riv es de l'ectoderme. Ils forment le muscle dilatateur de l'iris de l' il et servent expulser la salive, la sueur et le lait des glandes correspondantes. (b, avec la permission de Junzo Desaki ; C, de t. Fujiwara, dans Muscle cardiaque dans le manuel d'anatomie microscopique [e.d. Canal, ed.]. berlin : Springer-verlag, 1986 ; d, avec l'aimable autorisation de Satoshi Nakasiro ; e, d'apr s T. Nagato et al., Cell Tissue Res. 209:1-10, 1980. avec la permission de Springerverlag.) Certains myoblastes persistent sous forme de cellules souches quiescentes chez l'adulte M me si les humains ne g n rent normalement pas de nouvelles fibres musculaires squelettiques l' ge adulte, ils ont toujours la capacit de le faire, et les fibres musculaires existantes peuvent reprendre leur croissance lorsque le besoin s'en fait sentir. Les cellules capables de servir de myoblastes sont conserv es sous forme de cellules petites, aplaties et inactives, en contact troit avec la cellule musculaire mature et contenues dans sa gaine de lame basale (Figure 22 20). Si le muscle est endommag ou stimul se d velopper, ces cellules satellites sont activ es pour prolif rer, et leur prog niture peut fusionner pour r parer le muscle endommag ou pour permettre la croissance musculaire. Les cellules satellites, ou un sous-ensemble des cellules satellites, sont donc les cellules souches du muscle squelettique adulte, normalement conserv es en r serve dans un tat de repos mais disponible en cas de besoin comme source auto-renouvel e de cellules diff renci es en phase terminale. Le processus de r paration musculaire au moyen de cellules satellites est toutefois limit dans ce qu'il peut accomplir. Dans une forme de dystrophie musculaire, par exemple, un d faut g n tique dans la prot ine cytosquelettique dystrophine endommage les cellules musculaires squelettiques diff renci es. En cons quence, les cellules satellites prolif rent pour r parer les fibres musculaires endommag es. Cette r ponse r g n ratrice est cependant incapable de suivre le rythme des dommages, et le tissu conjonctif finit par remplacer les cellules musculaires, bloquant ainsi toute possibilit suppl mentaire de r g n ration. Une diminution de la capacit de r paration contribue galement l'affaiblissement des muscles chez les personnes g es. cellule satellite activ e pour diviserFigure 22 19 Fusion de myoblastes en culture. La culture est color e avec un anticorps fluorescent (vert) contre la myosine musculaire squelettique, qui marque les cellules musculaires diff renci es, et avec
Biologie moléculaire de la cellule	un colorant sp cifique de l'ADN (bleu) pour montrer les noyaux cellulaires. (a) Peu de temps apr s un changement vers un milieu de culture qui favorise la diff renciation, seuls deux des nombreux myoblastes dans le champ de vision ont activ la production de myosine et ont fusionn pour former une cellule musculaire avec deux noyaux (en haut droite). (b) Un peu plus tard, presque toutes les cellules se sont diff renci es et ont fusionn . (C) vue fort grossissement, montrant des stries caract ristiques (fines bandes transversales) dans deux des cellules musculaires multinucl es. (Avec l'aimable autorisation de Jacqueline Gross et Terence Partridge.) Dommages la graisse musculaire Figure 22 20 Les cellules satellites r parent les fibres musculaires squelettiques. (a) L' chantillon est color avec un anticorps (rouge) contre une cadh rine musculaire, la m-cadh rine, qui est pr sente la fois sur la cellule satellite et la fibre musculaire et est concentr e l'endroit o leurs membranes sont en contact. Les noyaux de la fibre musculaire sont color s en vert et le noyau de la cellule satellite est color en bleu. (b) Sch ma de la r paration d'une fibre musculaire endommag e par prolif ration et fusion de cellules satellites. (A, avec l'aimable autorisation de Terence Partridge.) Les fibres musculaires squelettiques sont l'une des quatre principales cat gories de cellules vert br es sp cialis es pour la contraction, et elles sont responsables de tous les mouvements volontaires. Chaque fibre musculaire squelettique est un syncytium et se d veloppe par la fusion de nombreux myoblastes. Les myoblastes prolif rent beaucoup, mais une fois qu'ils ont fusionn , ils ne peuvent plus se diviser. La fusion suit g n ralement le d but de la diff renciation des myoblastes, dans laquelle de nombreux g nes codant pour des prot ines sp cifiques du muscle sont activ s de mani re coordonn e. Certains myoblastes persistent l' tat de quiescence sous forme de cellules satellites dans le muscle adulte ; Lorsqu'un muscle est endommag , ces cellules sont r activ es pour prolif rer et fusionner afin de remplacer les cellules musculaires qui ont t perdues. Ce sont les cellules souches du muscle squelettique, et l' puisement de leur capacit de r g n ration est responsable de certaines formes de dystrophie musculaire ainsi que du d clin de la masse musculaire avec l' ge. veSSelS sanguin, lymphatiCS et cellules endoth liales Presque tous les tissus d pendent d'un apport sanguin, et l'approvisionnement en sang d pend des cellules endoth liales, qui forment les parois des vaisseaux sanguins. Les cellules endoth liales ont une capacit remarquable ajuster leur nombre et leur disposition pour r pondre aux besoins locaux. Ils cr ent un syst me de survie adaptable, s' tendant par migration cellulaire dans presque toutes les r gions du corps. Sans l'extension et le remodelage du r seau de vaisseaux sanguins par les cellules endoth liales, la croissance et la r paration des tissus seraient impossibles. Le tissu canc reux est aussi d pendant d'un apport sanguin que le tissu normal, ce qui a conduit un regain d'int r t pour la biologie des cellules endoth liales, dans l'espoir qu'il soit possible de bloquer la croissance des tumeurs en attaquant les cellules endoth liales qui les nourrissent. Les plus gros vaisseaux sanguins sont les art res et les veines, qui ont une paroi paisse et dure de tissu conjonctif et de nombreuses couches de cellules musculaires lisses (figures 22 21). La paroi interne est tapiss e d'une seule feuille extr mement mince de cellules endoth liales, l'endoth lium, s par e des couches externes environnantes par une lame basale. Les quantit s de tissu conjonctif et de muscle lisse dans la paroi du vaisseau varient en fonction du diam tre et de la fonction du vaisseau, mais la muqueuse endoth liale est toujours pr sente. Dans les branches les plus fines de l'arbre vasculaire les capillaires et les sinuso des les parois ne sont constitu es que de cellules endoth liales et d'un limbe basal (figures 22-22), ainsi que de quelques p ricytes pars. Li s aux cellules musculaires lisses vasculaires, les p ricytes s'enroulent autour des petits vaisseaux et les renforcent (Figure 22-23). Limbe basal Noyau de la cellule endoth liale Limbe basal Lumi re de la jonction capillaire serr e 2 m Lame lastique conjonctive l che Figure 22 21 Sch ma d'une petite art re en coupe transversale. Les cellules endoth liales forment la muqueuse endoth liale, qui, bien que discr te, est le composant fondamental. Comparer avec le capillaire de la figure 22-22. Figure 22 22 Capillaires. Micrographie lectronique ( gauche) d'une coupe efficace d'un petit capillaire dans le pancr as. La paroi est form e d'une seule cellule endoth liale entour e d'une lame basale, comme on le voit le plus clairement sur le dessin de droite. (D'apr s R.p. bolender, J. Cell Biol. 61:269-287, 1974. avec la permission de la Rockefeller University Pre
Biologie moléculaire de la cellule	ss.) Les vaisseaux lymphatiques sont moins vidents que les vaisseaux sanguins. Ceux-ci ne transportent pas de sang et ont des parois beaucoup plus fines et plus perm ables que les vaisseaux sanguins. Ils fournissent un syst me de drainage pour le liquide (lymphe) qui s' chappe des vaisseaux sanguins, ainsi qu'une voie de sortie pour les globules blancs qui ont migr des vaisseaux sanguins vers les tissus. Moins heureusement, ils peuvent galement fournir la voie par laquelle les cellules canc reuses s' chappent d'une tumeur primaire pour envahir d'autres tissus. Les lymphatiques forment un syst me ramifi d'affluents, tous se d chargeant finalement dans un seul gros vaisseau lymphatique, le canal thoracique, qui s'ouvre dans une grosse veine pr s du c ur. Comme les vaisseaux sanguins, les lymphatiques sont tapiss s de cellules endoth liales. Ainsi, les cellules endoth liales tapissent l'ensemble du syst me vasculaire sanguin et lymphatique, du c ur au plus petit capillaire, et elles contr lent le passage des mat riaux et le transit des globules blancs dans et hors de la circulation sanguine. Les art res, les veines, les capillaires et les lymphatiques se d veloppent tous partir de petits vaisseaux construits principalement partir de cellules endoth liales et d'une lame basale : du tissu conjonctif et des muscles lisses sont ajout s plus tard si n cessaire, sous l'influence des signaux des cellules endoth liales. Pour comprendre comment le syst me vasculaire se forme et comment il s'adapte aux besoins changeants des tissus, nous devons comprendre les cellules endoth liales. Comment se font-ils si largement r pandus et comment forment-ils des canaux qui se connectent de la bonne mani re pour que le sang circule dans les tissus et que la lymphe retourne dans la circulation sanguine ? Les cellules endoth liales proviennent de sites sp cifiques dans l'embryon pr coce partir de pr curseurs qui donnent galement naissance aux cellules sanguines. partir de ces sites, les cellules endoth liales embryonnaires pr coces migrent, prolif rent et se diff rencient pour former les premiers rudiments des vaisseaux sanguins, un processus appel vasculogen se. La croissance et la ramification ult rieures des vaisseaux dans tout le corps se produisent principalement par la prolif ration et le mouvement des cellules endoth liales de ces premiers vaisseaux, dans un processus appel angiogen se. L'angiogen se se produit de mani re globalement similaire dans l'organisme jeune au fur et mesure de sa croissance et chez l'adulte lors de la r paration et du remodelage des tissus. Nous pouvons observer le comportement des cellules dans des structures naturellement transparentes, telles que la corn e de l' il ou la nageoire d'un t tard, ou en culture tissulaire, ou dans l'embryon. La r tine embryonnaire, que les vaisseaux sanguins envahissent selon un calendrier pr visible, fournit un exemple pratique pour l' tude exp rimentale. Chaque nouveau vaisseau prend naissance sous la forme d'une pousse capillaire sur le c t d'un capillaire ou d'une petite veinule existante (figures 22 24). l'extr mit de la pousse, en t te du mouvement, se trouve une cellule endoth liale au caract re distinctif. Cette cellule de pointe a un mod le d'expression g nique quelque peu diff rent de celui de la Les cellules de la tige endoth liale suivent derri re lui, et bien qu'elles se divisent, il ne le fait pas. La caract ristique la plus frappante de la cellule de pointe est qu'elle produit de nombreux longs filopodes, ressemblant Figure 22 24 Angiogen se. a) un nouveau capillaire sanguin se forme par la germination d'une cellule endoth liale partir de la paroi d'un petit vaisseau existant. Une cellule de l'extr mit endoth liale, avec de nombreux filopodes, dirige l'avanc e de chaque pousse capillaire. Les cellules de la tige endoth liale qui tra nent derri re la cellule de l'extr mit se creusent pour former une lumi re. (b) des capillaires sanguins poussant dans la r tine d'une souris embryonnaire laquelle un colorant rouge a t inject dans la circulation sanguine, r v lant l'ouverture de la lumi re capillaire derri re la cellule de l'extr mit (film 22.2). (b, d'apr s H. Gerhardt et al., J. Cell Biol. 161:1163 1177, 2003. avec la permission de l'auteur.) p ricytes accroch s 10 m la face externe d'un petit vaisseau sanguin Figure 22 23 P ricytes. La micrographie lectronique balayage montre que les p ricytes enroulent leurs processus autour d'un petit vaisseau sanguin (une veinule post-capillaire) dans la glande mammaire d'un chat. Les p ricytes sont galement pr sents autour des capillaires, mais y sont beaucoup moins distribu s. (D'apr s t. Fujiwara et y. uehara, Am. J. Anat. 170:39 54, 1984. avec la permission de wiley-liss.) celles d'un c ne de croissance neuronal. La colonne de cellules de la tige derri re elle, quant elle, se creuse pour former une lumi re. Les cellules de l'extr mit endoth liale qui sont
Biologie moléculaire de la cellule	l'origine de la croissance des capillaires normaux ressemblent non seulement des c nes de croissance neuronale, mais r pondent galement de la m me mani re aux signaux de l'environnement. En fait, bon nombre des m mes mol cules de guidage sont impliqu es, y compris les n trines, les fentes et les phrines mentionn es dans notre compte rendu du d veloppement neuronal dans le chapitre pr c dent. Les r cepteurs correspondants sont exprim s dans les cellules de l'extr mit et guident les pousses vasculaires le long de voies sp cifiques dans l'embryon, souvent en parall le avec les nerfs. Cependant, la mol cule de guidage la plus importante pour les cellules endoth liales est peut- tre celle qui est principalement d di e au contr le du d veloppement vasculaire : le facteur de croissance de l'endoth lium vasculaire, ou VEGF. Presque toutes les cellules, dans presque tous les tissus d'un vert br , sont situ es moins de 50 100 m d'un capillaire sanguin. Quel m canisme garantit que le syst me des vaisseaux sanguins se ramifie dans tous les coins et recoins ? Comment est-il si parfaitement adapt aux besoins locaux des tissus, non seulement au cours du d veloppement normal, mais aussi dans des circonstances pathologiques ? La blessure, par exemple, induit une pouss e de croissance capillaire au voisinage de la l sion, pour satisfaire les besoins m taboliques lev s du processus de r paration (Figure 22-25). Les irritants et les infections locales provoquent galement une prolif ration de nouveaux capillaires, dont la plupart r gressent et disparaissent lorsque l'inflammation diminue. De mani re moins b nigne, un petit chantillon de tissu tumoral implant dans la corn e, qui est normalement d pourvue de vaisseaux sanguins, provoque une croissance rapide des vaisseaux sanguins vers l'implant partir de la marge vasculaire de la corn e ; Le taux de croissance de la tumeur augmente brusquement d s que les vaisseaux l'atteignent. Dans tous ces cas, les cellules endoth liales envahissantes r pondent aux signaux produits par le tissu qu'elles envahissent. Les signaux sont complexes, mais un r le cl est jou par le facteur de croissance de l'endoth lium vasculaire (VEGF). La r gulation de la croissance des vaisseaux sanguins pour r pondre aux besoins du tissu d pend du contr le de la production de VEGF, travers des modifications de la stabilit de son ARNm et de son taux de transcription. Ce dernier contr le est relativement bien compris. Un manque d'oxyg ne, dans pratiquement n'importe quel type de cellule, provoque une augmentation du niveau intracellulaire d'un facteur de transcription appel facteur 1 induit par l'hypoxie (HIF1 ). HIF1 stimule la transcription du Vegf (et d'autres g nes dont les produits sont n cessaires lorsque l'oxyg ne est rare). La prot ine VEGF est s cr t e, se diffuse dans les tissus et agit sur les cellules endoth liales voisines, les stimulant prolif rer, produire des prot ases pour les aider dig rer leur chemin travers la lame basale du capillaire ou de la veinule parente, et former des germes. Les cellules de l'extr mit des germes d tectent le gradient de VEGF et se d placent vers sa source. Au fur et mesure que de nouveaux vaisseaux se forment, apportant du sang aux tissus, la concentration d'oxyg ne augmente. L'activit de HIF1 diminue ensuite, la production de VEGF est arr t e et l'angiogen se s'arr te (Figure 22 26). Figure 22 25 Formation de nouveaux capillaires en r ponse une blessure. Des micrographies lectroniques balayage de moulages du syst me de vaisseaux sanguins entourant le bord de la corn e montrent la r action la blessure. le les moulages sont faits en injectant une r sine dans les r cipients et en laissant la r sine durcir ; Cela r v le la forme de la lumi re, par opposition la forme des cellules. Soixante heures apr s la blessure, de nombreux nouveaux capillaires ont commenc pousser vers le site de la blessure, qui se trouve juste au-dessus du haut de l'image. Leur excroissance orient e refl te une r ponse chimiotactique des cellules endoth liales un facteur angiog nique lib r au niveau de la plaie. (Avec l'aimable autorisation de Peter C. Burger.) Figure 22 26 Le m canisme de r gulation contr lant la croissance des vaisseaux sanguins en fonction des besoins en oxyg ne d'un tissu. Le manque d'oxyg ne d clenche la s cr tion de veGF, ce qui stimule l'angiogen se. Les signaux des cellules endoth liales contr lent le recrutement des p ricytes et des cellules musculaires lisses pour former la paroi du vaisseau Le r seau vasculaire est continuellement remodel au fur et mesure qu'il grandit et s'adapte. Un r cipient nouvellement form peut s'agrandir ; ou il peut pousser des branches lat rales ; ou il peut r gresser. Les muscles lisses et les autres cellules du tissu conjonctif qui s'entassent autour de l'endoth lium (voir figures 22 et 23) aident stabiliser les vaisseaux mesure qu'ils s' largissent. Ce processus de formation
Biologie moléculaire de la cellule	de la paroi vasculaire commence par le recrutement des p ricytes. Un petit nombre de ces cellules se d placent vers l'ext rieur en compagnie des cellules p donculaires de chaque pousse endoth liale. Le recrutement et la prolif ration des p ricytes et des cellules musculaires lisses pour former une paroi vasculaire d pendent du facteur de croissance B D RIV DES PLAQUETTES (PDGF-B) s cr t par les cellules endoth liales et des r cepteurs PDGF dans les p ricytes et les cellules musculaires lisses. Chez les mutants d pourvus de cette prot ine signal ou de son r cepteur, ces cellules de la paroi vasculaire sont absentes dans de nombreuses r gions. En cons quence, les vaisseaux sanguins embryonnaires d veloppent des microan vrismes des dilatations pathologiques microscopiques qui finissent par se rompre, ainsi que d'autres anomalies, refl tant l'importance des signaux chang s dans les deux sens entre les cellules externes de la paroi et les cellules endoth liales. Les cellules endoth liales sont les l ments fondamentaux du syst me vasculaire. Ils forment une seule couche cellulaire qui tapisse tous les vaisseaux sanguins et lymphatiques et r gule les changes entre la circulation sanguine et les tissus environnants. Les nouveaux vaisseaux proviennent de germes endoth liales des parois de petits vaisseaux existants. Une cellule de pointe endoth liale motile sp cialis e sur le bord d'attaque de chaque pousse produit des filopodes qui r pondent aux gradients de mol cules de guidage dans l'environnement, conduisant la croissance de la pousse de la m me mani re que le c ne de croissance d'un neurone est dedit . Les cellules de la tige endoth liale qui suivent derri re se creusent pour former un tube capillaire. Les signaux des cellules endoth liales organisent la croissance et le d veloppement des cellules du tissu conjonctif qui forment les couches environnantes de la paroi du vaisseau. Un m canisme hom ostatique garantit que les vaisseaux sanguins impr gnent toutes les r gions du corps. Les cellules qui manquent d'oxyg ne augmentent leur concentration de facteur 1 induit par l'hypoxie (HIF1 ), ce qui stimule la production de facteur de croissance de l'endoth lium vasculaire (VEGF). Le VEGF agit sur les cellules endoth liales, les faisant prolif rer et envahir le tissu hypoxique pour lui fournir de nouveaux vaisseaux sanguins. Au fur et mesure que de nouveaux vaisseaux s' largissent, ils recrutent un nombre croissant de p ricytes des cellules qui s'accrochent l'ext rieur du tube endoth lial et m rissent en la couche musculaire lisse n cessaire pour donner de la force au vaisseau. a hieRaRChiCal Stem-Cell SyStem : Fibre des cellules sanguines La fonction des vaisseaux sanguins est de transporter le sang, et c'est vers le sang lui-m me que nous nous tournons maintenant. Le sang contient de nombreux types de cellules, dont les fonctions vont du transport de l'oxyg ne la production d'anticorps. Certaines de ces cellules restent dans le syst me vasculaire, tandis que d'autres n'utilisent le syst me vasculaire que comme moyen de transport et remplissent leur fonction ailleurs. Toutes les cellules sanguines, cependant, pr sentent certaines similitudes dans leur cycle de vie. Ils ont tous une dur e de vie limit e et sont produits tout au long de la vie de l'animal. Plus remarquable encore, ils sont tous g n r s partir d'une cellule souche commune, situ e (chez les humains adultes) dans la moelle osseuse. Cette cellule souche h matopo tique (productrice de sang) est donc multipotente, donnant naissance tous les types de cellules sanguines diff renci es en phase terminale ainsi qu' certains autres types de cellules, telles que la Ost oclastes dans l'os, comme mentionn pr c demment. Le syst me h matopo tique est le plus complexe des syst mes de cellules souches dans le corps des mammif res, et il est exceptionnellement important dans la pratique m dicale. Les globules rouges sont tous semblables ; globules blancs Les cellules peuvent tre regroup es en trois classes principales Les cellules sanguines peuvent tre class es comme rouges ou blanches. Les globules rouges, ou rythrocytes, restent dans les vaisseaux sanguins et transportent l'O2 et le CO2 li s l'h moglobine. Les globules blancs, ou leucocytes, combattent les infections et, dans certains cas, phagocytent et dig rent les d bris. Les leucocytes, contrairement aux rythrocytes, doivent se frayer un chemin travers les parois des petits vaisseaux sanguins et migrer dans les tissus pour accomplir leurs t ches. De plus, le sang contient un grand nombre de plaquettes, qui ne sont pas des cellules enti res mais de petits fragments cellulaires d tach s ou minicellules d riv es du cytoplasme cortical de grandes cellules appel es m gacaryocytes. Les plaquettes adh rent sp cifiquement la paroi cellulaire endoth liale des vaisseaux sanguins endommag s, o elles aident r parer les br ches et favoriser la coagulation du sang. Tous les glob
Biologie moléculaire de la cellule	ules rouges appartiennent une seule classe, suivant la m me trajectoire de d veloppement mesure qu'ils m rissent, et il en va de m me pour les plaquettes ; Mais il existe de nombreux types distincts de globules blancs. Les globules blancs sont traditionnellement regroup s en trois grandes cat gories : granulocytes, monocytes et lymphocytes, en fonction de leur apparence au microscope optique. Les granulocytes contiennent de nombreux lysosomes et v sicules s cr toires (ou granules) et sont subdivis s en trois classes en fonction de la morphologie et des propri t s de coloration de ces organites (Figure 22 27). Les diff rences de coloration refl tent des diff rences majeures de chimie et de fonction. Les neutrophiles ( galement appel s leucocytes polymorphonucl aires en raison de leur noyau multilob ) sont le type de granulocytes le plus courant ; ils phagocytent et d truisent les micro-organismes, en particulier les bact ries, et jouent donc un r le cl dans l'immunit inn e contre les infections bact riennes, comme nous l'avons vu au chapitre 24 (voir la vid o 16.1). Les basophiles s cr tent de l'histamine (et, chez certaines esp ces, de la s rotonine) pour aider m dier les r actions inflammatoires ; Ils sont troitement li s aux mastocytes, qui r sident dans les tissus conjonctifs, mais sont galement g n r s partir des cellules souches h matopo tiques. Les osinophiles aident d truire les parasites et moduler les r ponses inflammatoires allergiques. Une fois qu'ils quittent la circulation sanguine, les monocytes (voir Figure 22-27D) se transforment en macrophages qui, avec les neutrophiles, sont les principaux phagocytes professionnels du corps. Comme nous l'avons vu au chapitre 13, les deux types de cellules phagocytaires contiennent des lysosomes sp cialis s qui fusionnent avec les v sicules phagocytaires nouvellement form es (phagosomes), exposant les micro-organismes phagocyt s un barrage de mol cules hautement r actives de superoxyde (O2 ) et d'hypochlorite (ClO ) et d'hypochlorite (ClO ), ainsi qu' l'attaque d'un m lange concentr d'enzymes hydrolases lysosomales qui s'activent dans le phagosome. Les macrophages, cependant, sont beaucoup plus grands et ont une dur e de vie plus longue que les neutrophiles. Ils reconnaissent et liminent les cellules s nescentes, mortes et endommag es dans de nombreux tissus, et ils sont uniques en ce sens qu'ils sont capables d'ing rer de gros micro-organismes tels que les protozoaires. Figure 22 27 Globules blancs. (a d) ces micrographies lectroniques montrent (a) un neutrophile, (b) un basophile, (C) un osinophile et (d) un monocyte. les micrographies lectroniques des lymphocytes sont illustr es aux figures 24 14. Chacun des types de cellules pr sent s ici a une fonction diff rente, ce qui se refl te dans les types distinctifs de granules s cr toires et de lysosomes qu'il contient. Il n'y a qu'un seul noyau par cellule, mais il a une forme lob e irr guli re, et en (a), (b) et (C), les connexions entre les lobes sont hors du plan de section. e) une micrographie photographique d'un frottis sanguin teint de Coloration de Romanowsky, qui colore fortement les globules blancs. (Avec l'aimable autorisation de 2 m de Dorothy Bainton.) Les monocytes donnent galement naissance des cellules dendritiques. Comme les macrophages, les cellules dendritiques sont des cellules migratrices qui peuvent ing rer des substances et des organismes trangers, mais elles n'ont pas un app tit aussi actif pour la phagocytose et ont plut t un r le crucial en tant que pr sentateurs d'antig nes trangers aux lymphocytes pour d clencher une r ponse immunitaire. Les cellules dendritiques de l' piderme (appel es cellules de Langerhans), par exemple, ing rent des antig nes trangers et ram nent ces troph es de la peau pour les pr senter aux lymphocytes des ganglions lymphatiques. Il existe deux grandes classes de lymphocytes, toutes deux impliqu es dans les r ponses immunitaires : les lymphocytes B fabriquent des anticorps, tandis que les lymphocytes T tuent les cellules infect es par le virus et r gulent les activit s des autres globules blancs. De plus, il existe des cellules de type lymphocytaire appel es cellules tueuses naturelles (NK), qui tuent certains types de cellules tumorales et de cellules infect es par le virus. La production de lymphocytes est un sujet sp cialis abord en d tail au chapitre 24. Ici, nous nous concentrons principalement sur le d veloppement des autres cellules sanguines, souvent appel es collectivement cellules my lo des. Le tableau 22 1 r sume les diff rents types de cellules sanguines et leurs fonctions.la production de chaque type de sang La production de cellules dans la moelle osseuse est contr l e individuellement La plupart des globules blancs fonctionnent dans des tissus autres que le sang ; Le sang les transporte simplement l o ils sont n cessaires. Une infection locale ou une blessure dans n'importe quel tissu attire r
Biologie moléculaire de la cellule	apidement les globules blancs dans la r gion touch e dans le cadre de la r ponse inflammatoire, ce qui aide combattre l'infection ou gu rir la plaie (vid o 22.3). La r ponse inflammatoire est complexe et est r gie par de nombreuses mol cules de signal diff rentes produites localement par les mastocytes, les terminaisons nerveuses, les plaquettes et les globules blancs, ainsi que par l'activation du compl ment (voir le chapitre 24). Certaines de ces mol cules de signal agissent sur la muqueuse endoth liale des capillaires voisins, aidant les globules blancs se coller d'abord, puis sortir de la circulation sanguine dans le tissu o ils sont n cessaires, comme d crit au chapitre 19 (voir la figure 19-28 et la vid o 19.2). Les tissus endommag s ou enflamm s et les cellules endoth liales locales s cr tent d'autres mol cules appel es chimiokines, qui agissent comme des chimioattractants pour des types sp cifiques de globules blancs, les faisant se polariser et ramper vers la source de l'attractif. En cons quence, un grand nombre de globules blancs p n trent dans les tissus affect s (Figure 22 28). D'autres mol cules de signal produites lors d'une r ponse inflammatoire s' chappent dans le sang et stimulent la moelle osseuse produire plus de leucocytes et les lib rer dans la circulation sanguine. La r gulation a tendance tre sp cifique au type de cellule : certaines infections bact riennes, par exemple, provoquent une augmentation s lective des neutrophiles, tandis que les infections par certains protozoaires et d'autres parasites provoquent une augmentation s lective des osinophiles. (Pour cette raison, les m decins utilisent r guli rement le nombre diff rentiel de globules blancs pour aider au diagnostic des maladies infectieuses et autres maladies inflammatoires.) Dans d'autres circonstances, la production d' rythrocytes est augment e de mani re s lective, par exemple en r ponse l'an mie (manque d'h moglobine) due une perte de sang, et en cours d'acclimatation lorsque l'on va vivre en haute altitude, o l'oxyg ne est rare. Ainsi, la formation des cellules sanguines, ou h matopo se, implique n cessairement des contr les complexes, qui r gulent la production de chaque type de cellule sanguine individuellement pour r pondre l' volution des besoins. Figure 22 28 Chimiotaxie des globules blancs aux tissus endommag s. Un signal chimioattractif mis par un site de l sion, qui se trouve vers le bas de la page, provoque la sortie des globules blancs du capillaire en rampant entre les cellules endoth liales adjacentes, comme illustr . processus m gacaryocytaire bourgeonnant des plaquettes cellule endoth liale de la paroi sinusale moelle osseuse Contient des cellules souches h matopo tiques multipotentes, capables de donner naissance toutes les classes de cellules sanguines Dans la moelle osseuse, les cellules sanguines en d veloppement et leurs pr curseurs, y compris les cellules souches, sont entrem l s les uns aux autres, ainsi qu'aux cellules adipeuses et d'autres cellules stromales (cellules du tissu conjonctif), qui produisent un d licat r seau de fibres de collag ne et d'autres matrices extracellulaires Composants. De plus, l'ensemble du tissu est richement aliment en vaisseaux sanguins paroi mince, appel s sinus sanguins, dans lesquels les nouvelles cellules sanguines sont d charg es. Des m gacaryocytes sont galement pr sents ; Celles-ci, contrairement d'autres cellules sanguines, restent dans la moelle osseuse maturit et constituent l'une de ses caract ristiques les plus frappantes, tant extraordinairement grandes (diam tre jusqu' 60 m) avec un noyau hautement polyplo de. Ils se trouvent normalement proximit des sinus sanguins et prolongent les processus travers des trous dans la muqueuse endoth liale de ces vaisseaux ; les plaquettes se d tachent des processus et sont emport es dans le sang (Figure 22-29 et Vid o 22.4). En raison de la disposition complexe des cellules dans la moelle osseuse, il est difficile d'identifier dans des coupes de tissus ordinaires autre que les pr curseurs imm diats des cellules sanguines matures. Il n'y a pas de caract ristique visible vidente par laquelle nous pouvons reconna tre les cellules souches ultimes. Dans le cas de l'h matopo se, les cellules souches ont d'abord t identifi es par un test fonctionnel qui exploitait le mode de vie errant des cellules sanguines et de leurs pr curseurs. Lorsqu'un animal est expos une forte dose de rayons X, la plupart des cellules h matopo tiques sont d truites et l'animal meurt en quelques jours en raison de son incapacit fabriquer de nouvelles cellules sanguines. L'animal peut cependant tre sauv par une transfusion de cellules pr lev es dans la moelle osseuse d'un donneur sain et immunologiquement compatible. Parmi ces cellules, certaines peuvent coloniser l'h te irradi et le r quiper d finitivement en tissu h matopo tique (Figure 22 30). De telles exp riences prouvent que la moe
Biologie moléculaire de la cellule	lle contient des cellules souches h matopo tiques. Ils montrent galement comment nous pouvons d tecter la pr sence de cellules souches h matopo tiques et ainsi d couvrir les caract ristiques mol culaires qui les distinguent des autres cellules. cette fin, les cellules pr lev es dans la moelle osseuse sont tri es ( l'aide d'un trieur de cellules activ par fluorescence) en fonction des antig nes de surface qu'elles pr sentent, et les diff rentes fractions sont transfus es des souris irradi es. Si une fraction sauve une souris h te irradi e, elle doit contenir des cellules souches h matopo tiques. De cette fa on, il a t possible de montrer que les cellules souches h matopo tiques sont caract ris es par une combinaison sp cifique de prot ines de surface cellulaire, et par un tri appropri , nous pouvons obtenir des pr parations de cellules souches pratiquement pures. Les cellules souches s'av rent tre une infime fraction de la population de moelle osseuse environ 1 cellule sur 50 000 100 000 ; Mais cela suffit. Une seule cellule de ce type inject e dans une souris h te avec une h matopo se d fectueuse est suffisante pour reconstituer l'ensemble de son syst me h matopo tique, g n rant un ensemble complet de types de cellules sanguines, ainsi que des cellules souches fra ches. Cette exp rience et d'autres (utilisant des marqueurs de lignage artificiels) montrent que la cellule souche h matopo tique individuelle est multipotente et peut donner naissance toute la gamme des types de cellules sanguines, la fois my lo des et lympho des, ainsi qu' de nouvelles cellules souches comme elle (Figure 22-31). Figure 22 29 Un m gacaryocyte parmi d'autres cellules sanguines en d veloppement dans la moelle osseuse. La taille norme du m gacaryocyte r sulte de son noyau hautement polyplo de. Un m gacaryocyte produit environ 10 000 plaquettes, qui se s parent partir de longs processus qui s' tendent travers des trous dans les parois d'un sinus sanguin adjacent. la souris survit ; Les cellules souches inject es colonisent ses tissus h matopo tiques et g n rent un apport constant de nouvelles cellules sanguines Figure 22 30 Sauvetage d'une souris irradi e par une transfusion de cellules de moelle osseuse. Une proc dure essentiellement similaire est utilis e dans le traitement de la leuc mie chez les patients humains par greffe de moelle osseuse. L'engagement est un processus par tapes Les cellules souches h matopo tiques ne passent pas directement d'un tat multipotent un engagement envers une seule voie de diff renciation ; Au lieu de cela, ils sont soumis une s rie de restrictions progressives. La premi re tape, g n ralement, est l'engagement envers un destin my lo de ou lympho de. On pense que cela donne naissance deux types de cellules prog nitrices, l'une capable de g n rer un grand nombre de tous les diff rents types de cellules my lo des, et l'autre donnant naissance un grand nombre de tous les diff rents types de cellules lympho des. D'autres tapes donnent lieu prog niteurs engag s dans la production d'un seul type de cellule. Les tapes de l'engagement sont en corr lation avec des changements dans l'expression de r gulateurs de transcription sp cifiques, n cessaires la production de diff rents sous-ensembles de cellules sanguines. divisions de cellules prog nitrices engag es amplifient le nombre de cellules sanguines sp cialis es Les cellules prog nitrices h matopo tiques s'engagent g n ralement dans une voie de diff renciation particuli re bien avant de cesser de prolif rer et de se diff rencier finalement. Les prog niteurs engag s passent par de nombreux cycles de division cellulaire pour amplifier le nombre ultime de cellules du type sp cialis donn . De cette fa on, une seule division de cellules souches peut conduire la production de milliers de descendants diff renci s, ce qui explique pourquoi le nombre de cellules souches est une si petite fraction de la population totale de cellules h matopo tiques. Pour la m me raison, un taux lev de production de cellules sanguines peut tre maintenu m me si le taux de division des cellules souches est faible. Plus le nombre de cycles de division que les cellules souches elles-m mes doivent subir au cours d'une vie est faible, plus le risque de g n rer des mutations des cellules souches est faible, ce qui donnerait naissance des clones mutants persistants de cellules dans le corps un danger particulier dans le syst me h matopo tique o , comme nous l'avons vu au chapitre 20, une accumulation relativement faible de mutations peut tre suffisante pour provoquer le cancer. Un faible taux de division des cellules souches ralentit galement le processus de s nescence des cellules r plicatives (discut au chapitre 17). Figure 22 31 Un sch ma provisoire d'h matopo se. La cellule souche multipotente se divise normalement peu fr quemment pour g n rer soit plus de cellules souches multipotentes, qui se renouvellent automatiquement, soi
Biologie moléculaire de la cellule	t des cellules prog nitrices engag es, qui sont limit es dans le nombre de fois qu'elles peuvent se diviser avant de se diff rencier pour former des cellules sanguines matures. Au fur et mesure qu'ils se divisent, les prog niteurs se sp cialisent progressivement dans la gamme de types de cellules qu'ils peuvent donner naissance, comme l'indique la ramification de ce diagramme de lign es cellulaires. Chez les mammif res adultes, toutes les cellules observ es se d veloppent principalement dans la moelle osseuse, l'exception des lymphocytes T, qui, comme indiqu , se d veloppent dans le thymus, et des macrophages et des ost oclastes, qui se d veloppent partir des monocytes sanguins. Certaines cellules dendritiques peuvent galement d river des monocytes. La nature progressive de l'engagement signifie que le syst me h matopo tique peut tre consid r comme un arbre g n alogique hi rarchique de cellules. Les cellules souches multipotentes donnent naissance des cellules prog nitrices engag es, qui sont sp cifi es pour donner naissance un seul ou quelques types de cellules sanguines. Les prog niteurs engag s se divisent rapidement, mais seulement un nombre limit de fois, avant de se diff rencier d finitivement en cellules qui ne se divisent plus et meurent apr s plusieurs jours ou semaines. Les figures 22 31 repr sentent l'arbre g n alogique h matopo tique. Il convient toutefois de noter que l'on pense que des variations se produisent : toutes les cellules souches ne g n rent pas les m mes mod les de descendance via exactement la m me s quence d' tapes. Comme les cellules souches d'autres tissus, les cellules souches h matopo tiques d pendent des signaux de leur niche, dans ce cas cr s par le tissu conjonctif sp cialis de la moelle osseuse. (C'est le site chez les humains adultes ; au cours du d veloppement, et chez les mammif res non humains tels que la souris, les cellules souches h matopo tiques peuvent galement s'installer dans d'autres tissus, notamment le foie et la rate.) Lorsqu'elles perdent le contact avec leur niche, les cellules souches h matopo tiques ont tendance perdre leur potentiel de cellules souches (Figure 22 32). De toute vidence, la perte de puissance n'est pas absolue ou instantan e, cependant, puisque les cellules souches peuvent toujours survivre des voyages via la circulation sanguine pour coloniser d'autres sites dans le corps. Alors que les cellules souches d pendent du contact avec les cellules stromales de la moelle osseuse pour leur maintien long terme, leur prog niture engag e ne le fait pas, ou du moins pas au m me degr . Ces cellules peuvent ainsi tre dispers es et cultiv es dans une matrice semi-solide de g lose dilu e ou de m thylcellulose, et des facteurs d riv s d'autres cellules peuvent tre ajout s artificiellement au milieu. La matrice semi-solide inhibe la migration, de sorte que la descendance de chaque cellule pr curseur isol e reste ensemble comme une colonie facilement distinguable. Un seul prog niteur de neutrophiles engag , par exemple, peut donner naissance un clone de milliers de neutrophiles. De tels syst mes de culture ont fourni un moyen de doser les facteurs qui soutiennent l'h matopo se et, par cons quent, de les purifier et d'explorer leurs actions. Ces substances sont des glycoprot ines et sont g n ralement appel es facteurs de stimulation des colonies (LCR). Certains de ces facteurs circulent dans le sang et agissent comme des hormones, tandis que d'autres agissent dans la moelle osseuse comme des m diateurs locaux s cr t s ; D'autres encore prennent la forme de signaux li s la membrane qui agissent par contact entre cellules. Un exemple important de ce dernier est une prot ine appel e acier ou facteur de cellules souches (SCF). Celle-ci s'exprime la fois dans le stroma de la moelle osseuse (o elle aide d finir la niche des cellules souches) et le long des voies de migration, et elle se produit la fois sous une forme membranaire et soluble. Il se lie un r cepteur tyrosine kinase appel Kit, et il est n cessaire au cours du d veloppement pour guider et survivre non seulement des cellules h matopo tiques, mais aussi d'autres types de cellules migratrices, en particulier les cellules germinales et les cellules pigmentaires. L' rythropo se d pend de l'hormone rythropo tine Le mieux compris des LCR qui agissent comme des hormones est la glycoprot ine rythropo tine, qui est produite dans les reins et r gule l' rythropo se, la formation des globules rouges, dont nous nous occupons maintenant. L' rythrocyte est de loin le type de cellule le plus courant dans le sang (voir tableau 22 1). maturit , il regorge d'h moglobine et ne contient pratiquement aucun des organites cellulaires habituels. Dans un rythrocyte d'un mammif re adulte, m me le noyau, le r ticulum endoplasmique, les mitochondries et les ribosomes sont absents, ayant t extrud s de la cellule au cours de son d veloppement (Figure 22-33). L' rythrocyte ne pe
Biologie moléculaire de la cellule	ut donc pas cro tre ou se diviser, et sa dur e de vie est limit e environ 120 jours chez l'homme ou 55 jours chez la souris. Les rythrocytes us s sont phagocyt s et dig r s par les macrophages du foie et de la rate, qui en liminent plus de 1011 Figure 22 32 D pendance des cellules souches h matopo tiques au contact avec les cellules stromales. L'interaction d pendante du contact entre le r cepteur KIT et son ligand est l'un des nombreux m canismes de signalisation que l'on pense tre impliqu s dans le maintien des cellules souches h matopo tiques. Le syst me r el est certainement plus complexe. De plus, la d pendance des cellules h matopo tiques au contact des cellules stromales ne peut pas tre absolue, car un petit nombre de cellules souches fonctionnelles peuvent tre trouv es libres dans la circulation. SCF, facteur de cellules souches. Figure 22 33 Globule rouge en d veloppement ( rythroblaste). On voit la cellule extruder son noyau pour devenir un rythrocyte immature (un r ticulocyte), qui quitte ensuite la moelle osseuse et passe dans la circulation sanguine. Le r ticulocyte perdra ses mitochondries et ses ribosomes en un jour ou deux pour devenir un rythrocyte mature. Les clones rythrocytaires se d veloppent dans la moelle osseuse la surface d'un macrophage, qui phagocyte et dig re les noyaux rejet s par les rythroblastes. des rythrocytes s nescents dans chacun de nous chaque jour. Les jeunes rythrocytes se prot gent activement de ce destin : ils ont leur surface une prot ine qui se lie un r cepteur inhibiteur sur les macrophages et emp che ainsi leur phagocytose. Un manque d'oxyg ne ou une p nurie d' rythrocytes stimule la synth se et la s cr tion de cellules sp cialis es dans le rein synth tiser et s cr ter des quantit s accrues d' rythropo tine dans la circulation sanguine. L' rythropo tine, son tour, stimule la production d' rythrocytes. L'effet est rapide : le taux de lib ration de nouveaux rythrocytes dans la circulation sanguine augmente fortement 1 2 jours apr s une augmentation du taux d' rythropo tine dans le sang. De toute vidence, l'hormone doit agir sur les cellules qui sont de proches pr curseurs des rythrocytes matures. Les cellules qui r pondent l' rythropo tine peuvent tre identifi es en cultivant des cellules de moelle osseuse dans une matrice semi-solide en pr sence d' rythropo tine. En quelques jours, des colonies d'environ 60 rythrocytes apparaissent, chacune fond e par une seule cellule prog nitrice rythro de engag e. Ce prog niteur d pend de l' rythropo tine pour sa survie ainsi que pour sa prolif ration. Il ne contient pas encore d'h moglobine et il est d riv d'un type ant rieur de prog niteur rythro de engag dont la survie et la prolif ration sont r gies par d'autres facteurs. Les deux classes de cellules d di es la phagocytose, les neutrophiles et les macrophages, se d veloppent partir d'une cellule prog nitrice commune appel e cellule prog nitrice granulocyte/macrophage (GM). Comme les autres granulocytes ( osinophiles et basophiles), les neutrophiles ne circulent dans le sang que quelques heures avant de migrer hors des capillaires vers les tissus conjonctifs ou d'autres sites sp cifiques, o ils ne survivent que quelques jours. Ils meurent ensuite par apoptose et sont phagocyt s par les macrophages. Les macrophages, en revanche, peuvent persister pendant des mois, voire des ann es, en dehors de la circulation sanguine, o ils peuvent tre activ s par des signaux locaux pour reprendre leur prolif ration. Au moins sept LCR distincts qui stimulent la formation de colonies de neutrophiles et de macrophages en culture ont t d finis, et on pense que certains ou tous ces l ments agissent dans diff rentes combinaisons pour r guler la production s lective de ces cellules in vivo. Ces LCR sont synth tis s par divers types de cellules, notamment les cellules endoth liales, les fibroblastes, les macrophages et les lymphocytes, et leur concentration dans le sang augmente g n ralement rapidement en r ponse une infection bact rienne dans un tissu, augmentant ainsi le nombre de cellules phagocytaires lib r es de la moelle osseuse dans la circulation sanguine. Les LCR agissent non seulement sur les cellules pr curseurs pour favoriser la production d'une descendance diff renci e, mais ils activent galement les fonctions sp cialis es (telles que la phagocytose et la destruction des cellules cibles) des cellules diff renci es en phase terminale. Les LCR peuvent tre synth tis s artificiellement et sont maintenant largement utilis s chez les patients humains pour stimuler la r g n ration du tissu h matopo tique et pour renforcer la r sistance aux infections. le comportement d'une cellule h matopo tique d pend en partie du hasard Les LCR sont d finis comme des facteurs qui favorisent la production de colonies de cellules sanguines diff renci es. Mais quel est pr cis ment l'effet d'un LCR sur une cellule h matopo tique individuelle ? Le fa
Biologie moléculaire de la cellule	cteur pourrait contr ler le taux de division cellulaire ou le nombre de cycles de division que la cellule prog nitrice subit avant de se diff rencier ; Il pourrait agir tard dans la lign e h matopo tique pour faciliter la diff renciation ; il peut agir t t pour influencer l'engagement ; ou cela pourrait simplement augmenter la probabilit de survie cellulaire (Figure 22-34). En suivant le devenir de cellules h matopo tiques individuelles isol es en culture, il a t possible de montrer qu'un seul LCR, tel que le granulocyte/ 1. Fr quence de la division des cellules souches 2. Probabilit de mort des cellules souches 3. Probabilit que la fille de la cellule souche devienne une cellule prog nitrice engag e du type 4 donn . Temps de cycle de division de la cellule prog nitrice engag e 5. Probabilit de mort des cellules prog nitrices 6. Nombre de divisions cellulaires prog nitrices engag es avant la diff renciation terminale 7. La dur e de vie des cellules diff renci es macrophages LCR, peut exercer tous ces effets, bien qu'il ne soit pas encore clair lesquels sont les plus importants in vivo. Des tudes in vitro indiquent, en outre, qu'il y a une grande part de hasard dans la fa on dont une cellule h matopo tique se comporte un reflet, vraisemblablement, du bruit dans le syst me de contr le g n tique, comme nous l'avons vu dans les chapitres 7 et 8. Si deux cellules s urs sont pr lev es imm diatement apr s une division cellulaire et cultiv es s par ment dans des conditions identiques, elles donnent souvent naissance des colonies contenant diff rents types de cellules sanguines ou les m mes types de cellules sanguines en nombres diff rents. Ainsi, la programmation de la division cellulaire et le processus d'engagement dans une voie particuli re de diff renciation semblent impliquer des v nements al atoires au niveau de la cellule individuelle, m me si le comportement du syst me multicellulaire dans son ensemble est r gul de mani re fiable. La s quence des restrictions du destin cellulaire illustr e pr c demment, dans les figures 22 31, donne l'impression d'un programme ex cut avec une logique et une pr cision semblables celles d'un ordinateur. Les cellules individuelles peuvent tre plus vari es, excentriques et erratiques, et peuvent parfois progresser par d'autres voies de d cision de l' tat de cellules souches vers la diff renciation terminale. La r gulation de la survie cellulaire est aussi importante que la r gulation de la prolif ration cellulaire Le comportement par d faut des cellules h matopo tiques en l'absence de LCR est la mort par apoptose (discut e au chapitre 18), et le contr le de la survie cellulaire joue un r le central dans la r gulation du nombre de cellules sanguines. La quantit d'apoptose dans le syst me h matopo tique des vert br s est norme : des milliards de neutrophiles meurent de cette mani re chaque jour chez un humain adulte, par exemple. En fait, la plupart des neutrophiles produits dans la moelle osseuse y meurent sans jamais fonctionner. Ce cycle futile de production et de destruction sert probablement maintenir une r serve de cellules qui peuvent tre rapidement mobilis es pour combattre l'infection chaque fois qu'elle clate, ou phagocyt es et dig r es pour tre recycl es lorsque tout est calme. Compar e la vie de l'organisme, la vie des cellules est bon march . Trop peu de mort cellulaire peut tre aussi dangereuse pour la sant d'un organisme multicellulaire qu'une trop grande prolif ration. Comme indiqu au chapitre 18, mutations qui inhibent la mort cellulaire en provoquant une production excessive de l'inhibiteur de l'apoptose intracellulaire Figure 22 34 : Quelques-uns des param tres par lesquels la production de cellules sanguines d'un type sp cifique pourrait tre r gul e. Des tudes en culture sugg rent que divers facteurs de stimulation des colonies (LCR) peuvent affecter tous ces aspects de l'h matopo se. Bcl2 favorise le d veloppement du cancer dans les lymphocytes B. En effet, la capacit de renouvellement illimit est une propri t dangereuse pour toute cellule. De nombreux cas de leuc mie surviennent la suite de mutations qui conf rent cette capacit des cellules pr curseurs h matopo tiques engag es qui seraient normalement destin es se diff rencier et mourir apr s un nombre limit de cycles de division. Les nombreux types de cellules sanguines, y compris les rythrocytes, les lymphocytes, les granulocytes et les macrophages, d rivent tous d'une cellule souche multipotente commune. Chez l'adulte, les cellules souches h matopo tiques se trouvent principalement dans la moelle osseuse et d pendent des signaux des cellules stromales (tissu conjonctif) de la moelle pour maintenir leur caract re de cellules souches. Les cellules souches sont peu nombreuses, et elles se divisent normalement peu fr quemment pour produire plus de cellules souches (auto-renouvellement) et diverses cellules prog nitrices engag es (cellules ampli
Biologie moléculaire de la cellule	ficatrices de transit), chacune pouvant donner naissance un seul ou quelques types de cellules sanguines. Les cellules prog nitrices engag es se divisent largement sous l'influence de diverses mol cules de signal prot ique (facteurs de stimulation des colonies, ou LCR), puis se diff rencient finalement en cellules sanguines matures, qui meurent g n ralement apr s plusieurs jours ou semaines. Les tudes sur l'h matopo se ont t grandement facilit es par des essais in vitro dans lesquels des cellules souches ou des cellules prog nitrices engag es forment des colonies clonales lorsqu'elles sont cultiv es dans une matrice semi-solide. La prog niture des cellules souches semble faire ses choix entre des voies de d veloppement alternatives de mani re partiellement al atoire. La mort cellulaire par apoptose, contr l e par la disponibilit des LCR, joue galement un r le central dans la r gulation du nombre de cellules sanguines diff renci es matures. Comme nous l'avons vu, de nombreux tissus du corps ne s'auto-renouvellent pas seulement, mais s'auto-r parent, et c'est en grande partie gr ce aux cellules souches et aux contr les de r troaction qui r gulent leur comportement et maintiennent l'hom ostasie. Il y a cependant des limites ce que ces m canismes naturels de r paration peuvent accomplir. Dans la plupart des parties du cerveau humain, par exemple, les cellules nerveuses qui meurent, comme dans la maladie d'Alzheimer, ne sont pas remplac es. De m me, lorsque le muscle cardiaque meurt par manque d'oxyg ne, comme dans une crise cardiaque, il est remplac par du tissu cicatriciel plut t que par un nouveau muscle cardiaque. Certains animaux s'en sortent beaucoup mieux que les humains et peuvent r g n rer des organes entiers, tels que des membres entiers, apr s une amputation. Parmi les invert br s, il existe des esp ces qui peuvent m me r g n rer tous les tissus du corps partir d'une seule cellule somatique. Ces ph nom nes encouragent l'espoir que les cellules humaines pourraient tre amen es par des mesures artificielles des prouesses similaires de r paration et de r g n ration, afin de remplacer les fibres musculaires squelettiques qui d g n rent chez les victimes de la dystrophie musculaire, les cellules nerveuses qui meurent chez les patients atteints de la maladie de Parkinson, les cellules s cr trices d'insuline qui font d faut chez les diab tiques de type 1. les cellules du muscle cardiaque qui meurent lors d'une crise cardiaque, et ainsi de suite. Au fur et mesure que nous en apprenons davantage sur la biologie cellulaire de base, ces objectifs, qui n' taient autrefois qu'un r ve, commencent sembler r alisables. Dans cette section, nous commen ons par quelques exemples des remarquables capacit s de r g n ration de certaines esp ces animales, comme une indication de ce qui est possible en principe. Nous discuterons ensuite de la fa on dont nous pouvons am liorer les processus naturels de r paration du corps humain et traiter les maladies en exploitant les propri t s des diff rents types de cellules souches pr sentes dans les tissus humains. Dans la derni re partie du chapitre, nous verrons comment une compr hension plus approfondie de la biologie mol culaire de la diff renciation cellulaire et des cellules souches a r v l des moyens de convertir un type de cellule en un autre, ouvrant ainsi des possibilit s radicalement nouvelles. Schmidtea mediterranea est un petit ver plat d'eau douce, ou planaire, d'un peu moins d'un centim tre de long lorsqu'il atteint sa taille adulte (Figure 22 35). Il poss de un piderme, un intestin, un pharynx de 0,2 mm, un cerveau, une paire d'yeux primitifs, un syst me nerveux p riph rique, une musculature et des organes excr teurs et reproducteurs la plupart des parties du corps de base famili res chez d'autres animaux, bien que toutes relativement simples selon les normes des vert br s et construites partir d'environ 20 25 types de cellules diff renci es distinctes. Depuis plus d'un si cle, des planaires tels que Schmidtea ont intrigu les biologistes en raison de leur extraordinaire capacit de r g n ration : un petit fragment de tissu pr lev sur presque n'importe quelle partie du corps se r organisera et se d veloppera pour former un nouvel animal complet. Cette propri t va de pair avec une autre : lorsque l'animal est affam , il devient de plus en plus petit, en r duisant son nombre de cellules tout en maintenant des proportions corporelles essentiellement normales. Ce comportement s'appelle la d croissance, et il peut continuer jusqu' ce que l'animal n'ait qu'un vingti me, voire une fraction plus petite de sa taille r elle. Aliment en nourriture, il repoussera sa taille normale. Les cycles de d croissance et de croissance peuvent se r p ter ind finiment, sans nuire la survie ou la fertilit . Ce comportement est sous-jacent un processus de renouvellement cellulaire continu. En plus des cellules diff renci es, qui ne se divisent pas, il
Biologie moléculaire de la cellule	existe une population de petites cellules en division apparemment indiff renci es appel es n oblastes. Les n oblastes constituent environ 20 % des cellules du corps et sont largement distribu s l'int rieur de celui-ci ; Par division cellulaire, elles servent de cellules souches pour la production de nouvelles cellules diff renci es. Les cellules diff renci es, quant elles, meurent continuellement par apoptose, ce qui permet leurs cadavres d' tre phagocyt s et dig r s par les cellules voisines. Gr ce ce cannibalisme cellulaire, les constituants des cellules mourantes peuvent tre recycl s efficacement. La naissance cellulaire se poursuit dans un quilibre dynamique avec la mort cellulaire et le cannibalisme cellulaire, que l'animal soit nourri ou affam . Dans des conditions de famine, la balance penche videmment vers le cannibalisme cellulaire, et dans des conditions d'abondance, vers la naissance cellulaire. Une forte dose de rayons X arr te toute division cellulaire, met un terme au renouvellement cellulaire et d truit la capacit de r g n ration. Le r sultat est la mort apr s un d lai de plusieurs semaines. L'animal peut cependant tre sauv en lui injectant un seul n oblaste isol d'un donneur non irradi (Figure 22 36). Dans une certaine proportion de cas, la cellule inject e se divise pour former un clone de descendance qui finit par repeupler tout le corps, cr ant un individu r g n rateur sain avec un ensemble apparemment complet de types de cellules diff renci es ainsi que des n oblastes en division. Les marqueurs g n tiques prouvent qu'ils sont tous d riv s du n oblaste unique qui a t inject . Il s'ensuit qu'au moins certains n oblastes sont des cellules souches totipotentes (ou du moins hautement pluripotentes) ; C'est- -dire des cellules capables de donner naissance tous (ou du moins presque tous) les types de cellules qui composent le corps d'un ver plat, y compris plus de n oblastes comme eux. On pourrait penser que de tels pouvoirs de r g n ration seraient l'apanage d'animaux petits, simples et primitifs. Mais certains vert br s, en particulier les poissons et les amphibiens, montrent des capacit s de r g n ration remarquables. Un triton, par exemple, peut se r g n rer Figure 22 35 Le ver planaire, Schmidtea mediterranea. a) Vue ext rieure. (b) l'immunocoloration avec trois anticorps diff rents, r v lant l'anatomie interne. (a, avec l'aimable autorisation de a. S nchez alvarado ; b, d'apr s a. S nchez alvarado, BMC Biol. 10:88, 2012.) Injection d'un seul r g n ration de n oblaste sain animal complet un membre amput entier. Dans ce processus, les cellules diff renci es semblent revenir un caract re embryonnaire en formant d'abord sur le moignon d'amputation un blast me - un petit bourgeon ressemblant un bourgeon de membre embryonnaire. Le blast me se d veloppe ensuite et ses cellules se diff rencient pour former un remplacement correctement structur du membre qui a t perdu, dans ce qui ressemble une r capitulation du d veloppement embryonnaire du membre (Figure 22-37). Une grande partie du blast me provient des cellules musculaires squelettiques du moignon du membre. Ces cellules multinucl es r int grent le cycle cellulaire, se d diff rencient et se brisent en cellules mononucl es, qui prolif rent ensuite dans le blast me, avant de se rediff rencier. Mais se rediff rencient-ils uniquement en muscle, ou se comportent-ils comme des n oblastes dans le planaire et donnent-ils naissance toute la gamme des types de cellules n cessaires pour reconstruire la partie manquante du membre ? Un tra age minutieux de la lign e, l'aide de marqueurs g n tiques, montre (contrairement ce que l'on croyait auparavant) que les cellules sont limit es en fonction de leurs origines : les cellules d riv es du muscle ne donnent naissance qu'au muscle, les cellules du tissu conjonctif uniquement aux tissus conjonctifs, les cellules pidermiques uniquement aux cellules pidermiques. Les cellules du corps des vert br s adultes sont, apr s tout, moins adaptables que les cellules du ver plat : en travaillant de concert, elles peuvent remplacer la structure perdue, mais chaque type de cellule est loin d' tre totipotent. Pourquoi un triton peut r g n rer un membre entier ainsi que de nombreuses autres parties du corps mais pas un mammif re reste un profond myst re. Les cellules souches peuvent tre utilis es artificiellement pour remplacer les cellules malades ou perdues : th rapie du sang et de l' piderme Plus t t dans ce chapitre, nous avons vu comment les souris peuvent tre irradi es pour tuer leurs cellules h matopo tiques, puis sauv es par une transfusion de nouvelles cellules souches, qui repeuplent la moelle osseuse et restaurent la production de cellules sanguines (voir Figure 22-30). De la m me mani re, les patients atteints de certaines formes de leuc mie ou de lymphome peuvent tre irradi s ou trait s chimiquement pour d truire leurs cellules canc reuses ainsi que le reste de
Biologie moléculaire de la cellule	leur tissu h matopo tique, puis peuvent tre sauv s par une transfusion de cellules souches h matopo tiques saines et non canc reuses. Dans les cas favorables, ceux-ci peuvent tre tri s partir d' chantillons de tissu h matopo tique du patient avant qu'il ne soit enlev . Ils sont ensuite transfus s par la suite, vitant ainsi les probl mes de rejet immunitaire. Figure 22 36 R g n ration d'un planaire partir d'une seule cellule somatique. (a) la distribution des cellules en division (n oblastes, bleus) dans le corps adulte. L'irradiation bloque toute division cellulaire et emp che la r g n ration, mais (b) une seule cellule de n oblaste non irradi e inject e dans l'animal irradi est capable de reconstituer tous les tissus. Cela finit par produire un animal complet qui se compose enti rement de la prog niture de cette cellule et peut se r g n rer. (Adapt de E.M. Tanaka et P.W. Reddien, Dev. Cell 21:172 185, 2011.) Figure 22 37 R g n ration des membres de triton. La s quence time-lapse montre les tapes de la r g n ration apr s amputation au niveau de l'hum rus. La s quence couvre les v nements de cicatrisation des plaies, de d diff renciation des tissus du moignon, de formation de blast me et de rediff renciation. (Avec l'aimable autorisation de Susan Bryant et David Gardiner.) Figure 22 38 La production continue de neurones dans le cerveau d'une souris adulte. Le cerveau est vu d'en haut, en coupe, pour montrer la r gion qui tapisse les ventricules du cerveau ant rieur o se trouvent les cellules souches neurales. Ces cellules produisent continuellement une descendance qui migre vers le bulbe olfactif, o elles se diff rencient en neurones. Le renouvellement constant des neurones dans le bulbe olfactif est probablement li Une certaine fa on de le faire du renouvellement des neurones r cepteurs olfactifs qui se projettent vers lui partir de l' pith lium olfactif, comme mentionn pr c demment. Chez l'homme adulte, il y a un renouvellement continu des neurones dans l'hippocampe, une r gion sp cialement pr occup e par l'apprentissage et la m moire. (Adapt de B. Barres, Cell 97:667 670, 1999. avec la permission d'Elsevier.) Un autre exemple d'utilisation des cellules souches est la r paration de la peau apr s des br lures tendues. En cultivant des cellules partir de r gions non endommag es de la peau du patient br l , il est possible d'obtenir des cellules souches pidermiques assez rapidement et en grand nombre. Ceux-ci peuvent ensuite tre utilis s (par des proc dures assez longues et compliqu es) pour repeupler la surface corporelle endommag e. Les cellules souches neurales peuvent tre manipul es en culture et utilis es pour repeupler le syst me nerveux central Le syst me nerveux central (SNC) est le tissu le plus complexe du corps, l'oppos de l' piderme. Et pourtant, les poissons et les amphibiens peuvent r g n rer de grandes parties du cerveau, de la moelle pini re et des yeux apr s avoir t coup s. Chez les mammif res adultes, cependant, ces tissus ont tr s peu de capacit d'auto-r paration, et les cellules souches capables de g n rer de nouveaux neurones sont difficiles trouver, si difficiles trouver, en fait, que pendant de nombreuses ann es, on a cru qu'elles taient absentes. Nous savons maintenant, cependant, que les cellules souches neurales qui g n rent la fois des neurones et des cellules gliales persistent dans certaines parties du cerveau des mammif res adultes (Figure 22-38). Le renouvellement neuronal se produit une chelle dramatique dans le cerveau de certains oiseaux chanteurs, o un grand nombre de neurones meurent chaque ann e et sont remplac s par des neurones nouveau-n s dans le cadre d'un processus par lequel les oiseaux affinent leur chant pour chaque nouvelle saison de reproduction. Dans le cerveau humain adulte, il y a un renouvellement continu des neurones dans l'hippocampe, une r gion sp cialement pr occup e par l'apprentissage et la m moire. Ici, la plasticit de la fonction adulte est associ e au renouvellement d'un sous-ensemble sp cifique de neurones. Environ 1400 neurones frais de cette classe sont g n r s chaque jour, ce qui donne un renouvellement de 1,75% de la population par an. Des fragments pr lev s dans des r gions qui s'auto-renouvellent du cerveau adulte, ou dans le cerveau d'un f tus, peuvent tre dissoci s et utilis s pour tablir des cultures cellulaires, o ils donnent naissance des neurosph res flottantes des amas constitu s d'un m lange de cellules souches neurales avec des neurones et des cellules gliales d riv es des cellules souches. Ces neurosph res peuvent se propager travers de nombreuses g n rations de cellules, ou leurs cellules peuvent tre pr lev es tout moment et r implant es dans le cerveau d'un animal intact. Ici, ils produiront une descendance diff renci e, sous la forme de neurones et de cellules gliales. En utilisant des conditions de culture l g rement diff rentes, avec la bonne combinaison d
Biologie moléculaire de la cellule	e facteurs de croissance dans le milieu, les cellules souches neurales peuvent tre cultiv es en monocouche et induites prolif rer comme une population de cellules souches presque pures sans descendance diff renci e. Par un changement suppl mentaire dans les conditions de culture, ces cellules peuvent tre induites tout moment se diff rencier pour donner soit un m lange de neurones et de cellules gliales (Figure 22-39), soit un seul de ces deux types de cellules, selon la composition du milieu de culture. Les cellules souches neurales, qu'elles soient d riv es comme ci-dessus ou de cellules souches pluripotentes comme d crit dans la section suivante, peuvent tre greff es dans un cerveau adulte. Une fois sur place, ils montrent une capacit remarquable ajuster leur comportement pour correspondre leur nouvel emplacement. Les cellules souches de l'hippocampe de la souris, par exemple, lorsqu'elles sont implant es dans la voie olfactive-pr curseur du bulbe olfactif de la souris (voir Figure 22-38), donnent naissance des neurones qui s'incorporent correctement dans le bulbe olfactif. Cette capacit des cellules souches neurales et de leur descendance s'adapter un nouvel environnement chez les animaux sugg re des applications dans le traitement des maladies o les neurones d g n rent, et la culture pure de cellules souches neurales (B) m lange (C) de neurones diff renci s (rouge) et de cellules gliales (vert) ; Les noyaux cellulaires dissocient les cellules et se dissocient et passent la culture bleue en culture en suspension sous forme de milieu monocouche 3 dans le milieu 1 dans le milieu 2 pour les l sions du syst me nerveux central. Par exemple, serait-il possible d'utiliser des cellules souches neurales inject es pour remplacer les neurones qui meurent dans la maladie de Parkinson ou pour r parer les accidents qui sectionnent la moelle pini re ? La capacit de r g n ration des animaux varie. un extr me, les vers planaires contiennent des cellules souches (n oblastes) qui soutiennent le renouvellement continu de tous les types de cellules, et un ver entier peut tre r g n r partir de pratiquement n'importe quel petit fragment de corps ou m me d'une seule cellule de n oblaste. Les tritons peuvent r g n rer les membres et d'autres grandes parties du corps apr s l'amputation, mais les cellules restent limit es en fonction de leurs origines : les cellules musculaires du r g n r d rivent du muscle, l' piderme de l' piderme, etc. Chez les mammif res, la r g n ration est plus limit e. N anmoins, il devient possible de d passer les limites naturelles de la cicatrisation des plaies en exploitant la biologie des cellules souches. Ainsi, certaines r gions du syst me nerveux contiennent des cellules souches qui soutiennent la production de neurones dans ces sites tout au long de la vie. Les cellules souches neurales peuvent tre obtenues partir de ces sites ou de cerveaux f taux, cultiv es en culture, puis greff es d'autres sites du cerveau, o elles sont capables de g n rer des neurones appropri s au nouvel emplacement. Lorsque des cellules sont transplant es d'un site un autre dans le corps d'un mammif re ou sont retir es du corps et maintenues en culture, elles restent largement fid les leurs origines. Chaque type de cellule sp cialis e a une m moire de son histoire de d veloppement et semble fig dans son destin sp cialis . Certaines transformations limit es peuvent certainement se produire, comme nous l'avons vu dans notre compte rendu de la famille des cellules du tissu conjonctif, et certaines cellules souches peuvent g n rer une vari t de types de cellules diff renci es, mais les possibilit s sont limit es. Chaque type de cellule souche sert au renouvellement d'un type particulier de tissu, et l'ensemble du mod le de cellules auto-renouvel es et diff renci es dans le corps adulte est tonnamment stable. Quelle est, un niveau mol culaire fondamental, la nature de ces diff rences stables entre les types de cellules ? Existe-t-il un moyen de contourner les m canismes de m moire cellulaire et de forcer un passage d'un tat un autre qui est radicalement diff rent ? Nous avons d j abord ces questions fondamentales d'un point de vue g n ral au chapitre 7. Ici, nous les consid rons de plus pr s dans le contexte de la biologie des cellules souches, o il y a eu une r volution r cente dans notre compr hension et dans notre capacit manipuler les tats de diff renciation cellulaire. Avec des recherches plus approfondies, ces progr s sembleraient avoir d'importantes cons quences pratiques. Figure 22 39 Cellules souches neurales. Les tapes menant du tissu c r bral f tal, via les neurosph res (a), une culture pure de cellules souches neurales (b) sont illustr es. ces cellules souches peuvent continuer prolif rer ind finiment ou, par un changement de milieu, peuvent tre amen es se diff rencier (C) en neurones (rouge) et en cellules gliales (vert). Les cellules souches neur
Biologie moléculaire de la cellule	ales ayant les m mes propri t s peuvent galement tre d riv es, via une s rie d' tapes similaires, de cellules souches embryonnaires (eS) ou de cellules souches pluripotentes induites (ipS) (discut es plus loin dans ce chapitre). (micrographies de L. Conti et al., PLoS Biol. 3:1594 1606, 2005.) Si nous ne pouvons pas changer le caract re fondamental d'une cellule sp cialis e en changeant son environnement, pouvons-nous le faire en interf rant avec son fonctionnement interne d'une mani re plus directe et plus drastique ? Un traitement extr me de ce type consiste prendre le noyau de la cellule et le transplanter dans le cytoplasme d'une grande cellule d'un type diff rent. Si le caract re sp cialis est d fini et maintenu par des facteurs cytoplasmiques, le noyau transplant doit changer son mod le d'expression g nique pour se conformer celui de la cellule h te. Dans le chapitre 7, nous avons d crit une exp rience c l bre de ce genre, utilisant la grenouille Xenopus. Dans cette exp rience, le noyau d'une cellule diff renci e (une cellule de la muqueuse de l'intestin d'un t tard) a t utilis pour remplacer le noyau d'un ovocyte (un pr curseur de cellule d'ovule arr t en prophase de la premi re division m iotique, en pr paration pour la f condation). La cellule hybride r sultante s'est d velopp e, dans une certaine fraction des cas, en une grenouille normale compl te (voir Figure 7-2A). Il s'agissait d'une preuve cruciale de ce qui est aujourd'hui un principe central de la biologie du d veloppement : le noyau cellulaire, m me celui d'une cellule diff renci e, contient un g nome complet, capable de soutenir le d veloppement de tous les types de cellules normales. Dans le m me temps, l'exp rience a montr que les facteurs cytoplasmiques peuvent effectivement reprogrammer un noyau : le cytoplasme de l'ovocyte peut ramener le noyau de la cellule intestinale un tat embryonnaire pr coce, partir duquel il peut ensuite passer par les mod les changeants d'expression g nique qui m nent jusqu' un organisme adulte complet. L'histoire compl te, cependant, n'est pas aussi simple. Premi rement, la reprogrammation dans de telles exp riences n'est pas parfaite. Lorsque le noyau transplant est pr lev sur une cellule intestinale, par exemple, un g ne normalement sp cifique de l'intestin s'exprime de mani re persistante, m me dans les cellules musculaires de l'animal final. Deuxi mement, le L'exp rience ne r ussit que dans une proportion limit e de cas, et ce taux de r ussite devient de plus en plus faible mesure que l'animal sur lequel le noyau transplant est pr lev est mature : il faut faire un tr s grand nombre de transplantations pour obtenir un seul succ s si le noyau provient d'une cellule diff renci e d'une grenouille adulte. La transplantation nucl aire peut galement tre effectu e chez les mammif res, avec des r sultats fondamentalement similaires. Ainsi, un noyau pr lev sur une cellule diff renci e de la glande mammaire d'un mouton adulte et transplant dans un uf de mouton nucl a pu soutenir le d veloppement d'un mouton apparemment normal, la c l bre Dolly. L encore, le taux de r ussite est faible : de nombreuses transplantations doivent tre effectu es pour obtenir un tel individu. La reprogrammation d'un noyau transplant implique des changements pig n tiques drastiques Dans une cellule typique enti rement diff renci e, il semble y avoir des m canismes maintenant le mod le d'expression g nique que les facteurs cytoplasmiques ne peuvent pas facilement remplacer. Une possibilit vidente est que la stabilit du mod le d'expression g nique dans une cellule adulte puisse d pendre, en partie du moins, de modifications auto-entretenues de la chromatine, comme nous l'avons vu au chapitre 4. Comme expliqu au chapitre 7, le ph nom ne d'inactivation de l'X chez les mammif res fournit un exemple clair d'un tel contr le pig n tique. Deux chromosomes X existent c te c te dans chaque cellule femelle, expos s au m me environnement chimique, mais alors que l'un reste actif, l'autre persiste d'une g n ration cellulaire l'autre dans un tat inactif condens ; Les facteurs cytoplasmiques ne peuvent pas tre responsables de la diff rence, qui doivent plut t refl ter des m canismes intrins ques au chromosome individuel. Ailleurs dans le g nome galement, les contr les au niveau de la chromatine agissent en combinaison avec d'autres formes de r gulation pour r gir l'expression de chaque g ne. Les g nes peuvent tre compl tement d sactiv s, ou activ s de mani re constitutive, ou maintenus dans un tat labile o ils peuvent tre facilement activ s ou d sactiv s en fonction de circonstances changeantes. La reprogrammation d'un noyau transplant dans un ovocyte implique des changements spectaculaires de la chromatine. Le noyau gonfle, multipliant par 50 son volume mesure que les chromosomes se d condensent ; il y a une alt ration globale des mod les de m thylation de l'ADN et des histones ; l'histone
Biologie moléculaire de la cellule	standard H1 (l'histone qui relie les nucl osomes adjacents) est remplac e par une forme variante propre l'ovocyte et l'embryon pr coce ; et le type pr existant de l'histone H3 est galement remplac de nombreux sites par une isoforme distincte. De toute vidence, l' uf contient des facteurs qui r initialisent l' tat de la chromatine dans le noyau, effa ant les anciennes modifications d'histones sur la chromatine et en imposant de nouvelles. Reprogramm de cette mani re, le g nome redevient comp tent pour initier le d veloppement embryonnaire et donner naissance toute la gamme des types de cellules diff renci es. Les cellules souches embryonnaires (eS) peuvent g n rer n'importe quelle partie du corps Un ovule f cond , ou une cellule quivalente produite par transplantation nucl aire, est une chose remarquable : il peut g n rer un tout nouvel individu multicellulaire, ce qui signifie qu'il peut donner naissance tous les types normaux de cellules sp cialis es, y compris m me les ovules ou les spermatozo des pour la production de la g n ration suivante. Une cellule dans un tel tat est dite totipotente, et on dit qu'elle est pluripotente si elle peut donner naissance la plupart des types de cellules, mais pas absolument tous. N anmoins, un tel prog niteur n'est pas une cellule souche : il ne s'auto-renouvelle pas, mais est au contraire d di un programme de diff renciation progressive. S'il s'agissait du seul point de d part disponible pour l' tude et l'exploitation des cellules pluripotentes, l'entreprise aurait besoin d'un approvisionnement continu d'ovules f cond s frais ou de proc dures de transplantation nucl aire fra ches une exigence maladroite pour des tudes sur des animaux de laboratoire et inacceptable pour des applications pratiques chez l'homme. Ici, cependant, la nature a t tonnamment cl mente envers les scientifiques. Il est possible de prendre un embryon de souris pr coce, au stade de blastocyste, et par culture cellulaire, d'en d river une classe de cellules souches appel es cellules souches embryonnaires, ou cellules ES. Ceux-ci proviennent de la masse cellulaire interne de l'embryon pr coce (l'amas de cellules qui donnent naissance au corps de l'embryon proprement dit, par opposition aux structures extraembryonnaires), et ils ont une propri t extraordinaire : dans des conditions de culture appropri es, ils continueront prolif rer ind finiment tout en conservant un potentiel de d veloppement illimit . Leur seule limite est qu'ils le font ne pas donner naissance des tissus extra-embryonnaires tels que ceux du placenta. Ils sont donc class s comme pluripotents plut t que totipotents. Mais il s'agit d'une restriction mineure. Si les cellules ES sont r introduites dans un blastocyste, elles s'incorporent dans l'embryon et peuvent donner naissance tous les tissus et types de cellules du corps, s'int grant parfaitement dans n'importe quel site qu'elles peuvent occuper et adoptant le caract re et le comportement que les cellules normales montreraient cet endroit. Ils peuvent m me donner naissance des cellules germinales, partir desquelles une nouvelle g n ration d'animaux peut tre d riv e (Figure 22 40). Les cellules ES nous permettent de passer de la culture cellulaire, o nous pouvons utiliser des techniques puissantes de transformation et de s lection g n tiques, l'organisme intact, o nous pouvons d couvrir comment de telles manipulations g n tiques affectent le d veloppement et la physiologie. Ainsi, les cellules ES ont ouvert la voie un g nie g n tique efficace chez les mammif res, conduisant une r volution dans notre compr hension de la biologie mol culaire des mammif res. Des cellules ayant des propri t s similaires celles des cellules ES de souris peuvent maintenant tre d riv es d'embryons humains pr coces et de cellules germinales f tales humaines, et m me, comme nous l'expliquerons ci-dessous, de cellules diff renci es pr lev es sur des tissus de mammif res adultes. De cette fa on, on peut obtenir une r serve potentiellement in puisable de pluripotent Figure 22 40 Production et pluripotence des cellules eS. Les cellules eS sont d riv es de la masse cellulaire interne (iCm) de l'embryon pr coce. les cellules iCm sont transf r es dans une bo te de culture contenant un milieu appropri , o elles sont converties en cellules eS et peuvent continuer prolif rer ind finiment sans se diff rencier. les cellules eS peuvent tre pr lev es tout moment apr s une manipulation g n tique, si vous le souhaitez et r inject es dans la masse cellulaire interne d'un autre embryon pr coce. l , ils participent la formation d'un animal chim rique bien form , qui est un m lange de cellules ordinaires et d riv es de l'eS. les cellules d riv es de l'eS peuvent se diff rencier en n'importe quel type de cellules dans le corps, y compris les cellules germinales partir desquelles une nouvelle g n ration de souris peut tre produite. ces descendants de nouvell
Biologie moléculaire de la cellule	e g n ration ne sont plus chim riques, mais se composent de cellules qui h ritent toutes de la moiti de leurs g nes de la lign e cellulaire eS cultiv e. blastocyste se d veloppe en (blastocyste) amas de cellules ES inject es cellules deviennent m re nourrici re en une saine inject e incorpor e dans la souris chim rique interne ; les cellules ES peuvent recevoir la masse cellulaire du blastocyste de l'h te contribuer toutes les cellules tissulaires. Cultiv s en culture, ceux-ci peuvent tre manipul s, par un choix appropri des conditions de culture, pour donner naissance de grandes quantit s de presque n'importe quel type de cellule diff renci e, ouvrant ainsi la voie d'importantes applications pratiques. Avant de les discuter, cependant, nous consid rons la biologie sous-jacente. un ensemble de base de r gulateurs de transcription d finit et maintient l' tat de la cellule eS Qu'est-ce qui donne aux cellules ES et aux types apparent s de cellules souches pluripotentes leurs capacit s extraordinaires ? Que peuvent-ils nous dire sur les m canismes fondamentaux sous-jacents la souche, la diff renciation cellulaire et la stabilit de l' tat diff renci ? Pour certains attributs, la r ponse est simple. Par exemple, une caract ristique essentielle des cellules ES est qu'elles doivent viter la s nescence. Comme nous l'avons vu au chapitre 17, c'est le sort des fibroblastes et de nombreux autres types de cellules somatiques : ils sont limit s dans le nombre de fois qu'ils se divisent, en partie du moins parce qu'ils manquent d'activit t lom rase, ce qui fait que leurs t lom res s' rodent progressivement chaque cycle de division, conduisant finalement l'arr t du cycle cellulaire. Les cellules ES, en revanche, expriment des niveaux lev s de t lom rase active, ce qui leur permet d' chapper la s nescence et de continuer se diviser ind finiment. Il s'agit d'une propri t partag e avec d'autres types de cellules souches plus sp cialis es, telles que celles de l'intestin adulte, qui peuvent galement continuer se diviser pendant des centaines ou des milliers de cycles. Le probl me plus profond est d'expliquer comment l'ensemble du mod le complexe d'expression g nique dans une cellule ES est organis et maintenu. Dans un premier temps, on peut rechercher des g nes exprim s sp cifiquement dans les cellules ES ou dans les cellules pluripotentes correspondantes de l'embryon pr coce. Cette approche permet d'identifier un nombre relativement faible de g nes candidats critiques pour l'ES ; c'est- -dire des g nes qui semblent tre essentiels d'une mani re ou d'une autre au caract re particulier des cellules ES. Un g ne appel Oct4, par exemple, est exclusivement exprim dans les cellules ES et dans les cellules apparent es. classes de cellules dans l'organisme intact, en particulier dans la lign e des cellules germinales et dans la masse cellulaire interne et ses pr curseurs. Codes Oct4 pour un r gulateur de transcription. Lorsqu'il est perdu des cellules ES, elles perdent leur caract re de cellules ES ; Et lorsqu'il est absent d'un embryon, les cellules qui devraient se sp cialiser en tant que masse cellulaire interne sont d tourn es vers une voie de diff renciation extra-embryonnaire et leur d veloppement est avort . Les fibroblastes peuvent tre reprogramm s pour cr er des cellules souches pluripotentes induites (cellules ipS) Dans le chapitre 7, nous avons vu que les fibroblastes et certains autres types de cellules peuvent tre amen s changer de caract re et se diff rencier en cellules musculaires si le r gulateur de transcription sp cifique au muscle ma tre, MyoD, est exprim artificiellement en eux. La m me technique pourrait-elle tre utilis e pour convertir les types de cellules adultes en cellules ES, par l'expression forc e de facteurs tels que Oct4 ? Cette question a t abord e en transfectant des fibroblastes avec des vecteurs r troviraux porteurs de g nes dont on pourrait esp rer qu'ils aient un tel effet. Au total, 24 g nes candidats critiques pour l'ES ont t test s de cette mani re. Aucun d'eux n'a pu lui seul provoquer la conversion ; Mais dans certaines combinaisons, ils pourraient le faire. En 2006, les premi res exp riences r volutionnaires ont r duit l'exigence un ensemble de base de quatre facteurs, tous des r gulateurs de transcription : Oct4, Sox2, Klf4 et Myc, connus sous le nom de facteurs OSKM en abr g . Lorsqu'ils sont coexprim s, ceux-ci pourraient reprogrammer les fibroblastes de souris, les convertissant de fa on permanente en cellules troitement similaires aux cellules ES (Figure 22-41). Les cellules de type SE cr es de cette mani re sont appel es cellules souches pluripotentes induites, ou cellules iPS. Comme les cellules ES, les cellules iPS peuvent continuer se diviser ind finiment en culture et, lorsqu'elles sont incorpor es dans un blastocyste de souris, elles peuvent participer la cr ation d'un animal chim rique parfaitement form . Chez cet an
Biologie moléculaire de la cellule	imal, ils peuvent contribuer au d veloppement de n'importe quel tissu et peuvent se transformer en n'importe quel type de cellule diff renci e, y compris des cellules germinales fonctionnelles partir desquelles une nouvelle g n ration de souris peut tre lev e (voir Figure 22-40). Les cellules iPS peuvent maintenant tre d riv es de cellules humaines adultes et de divers autres types de cellules diff renci es en plus des fibroblastes. De nombreuses m thodes peuvent tre utilis es pour favoriser la r gulation de la prolif ration des cellules souches embryonnaires G nes cellulaires R gulation descendante du rel chement des g nes de diff renciation Structure de la chromatine Figure 22 41 Reprogrammation des fibroblastes en cellules IPS avec les facteurs OSKM. comme indiqu , les prot ines r gulatrices du g ne ma tre oct4, Sox2 et klf4 (oSk) induisent la fois leur propre synth se et celle de l'autre (ombrage en gris). cela g n re une boucle de r troaction auto-entretenue qui aide maintenir les cellules dans un tat semblable celui des cellules souches embryonnaires, m me apr s que tous les initiateurs oSkm ajout s exp rimentalement ont t retir s. La surexpression de myc acc l re les premi res tapes du processus de reprogrammation gr ce aux m canismes illustr s (voir Figure 17 61). La reprogrammation stable implique galement l'expression induite en permanence du g ne Nananog, qui produit un r gulateur de transcription ma tre suppl mentaire. (adapt de J. kim et al., Cell 132:1049 1061, 2008.) l'expression des facteurs OSKM transformants, y compris les m thodes qui ne laissent aucune trace d'ADN tranger dans la cellule reprogramm e. Des variations du cocktail original de r gulateurs de transcription peuvent conduire la conversion, diff rents types de cellules sp cialis es ayant des exigences quelque peu diff rentes. La surexpression de Myc, par exemple, s'av re ne pas tre absolument n cessaire, bien qu'elle am liore l'efficacit du processus. Et les types cellulaires diff renci s peuvent exprimer certains des facteurs requis dans le cadre de leur ph notype normal. Par exemple, les cellules de la papille dermique des follicules pileux expriment d j Sox2, Klf4 et Myc ; pour les convertir en cellules iPS, il suffit de les forcer artificiellement exprimer Oct4. Oct4, en effet, semble avoir un r le central et tre g n ralement indispensable pour la cr ation de cellules iPS. La reprogrammation implique un bouleversement massif du syst me de contr le des g nes Convertir une cellule diff renci e en cellule iPS n'est pas comme appuyer sur un interrupteur sur une machine pr visible et con ue avec pr cision. Seules quelques-unes des cellules qui re oivent les facteurs OSKM deviendront des cellules iPS une sur plusieurs milliers dans les exp riences originales, et encore seulement une petite minorit avec des techniques plus r centes et am lior es. En fait, le succ s des exp riences originales d pendait d'une s lection intelligente pour s lectionner les quelques cellules o la conversion avait eu lieu (Figure 22-42). La conversion en un caract re iPS par les facteurs OSKM est non seulement inefficace mais aussi lente : les fibroblastes prennent dix jours ou plus partir de l'introduction des facteurs de conversion avant de commencer exprimer des marqueurs de l' tat iPS. Cela sugg re que la transformation implique une longue cascade de changements. Ces changements sont largement tudi s et affectent la fois l'expression de g nes individuels et l' tat de la chromatine. Les r sultats d'une telle tude sont pr sent s la figure 22-43. Le processus commence par une prolif ration cellulaire induite par Myc et un rel chement de la structure de la chromatine qui favorise la liaison des trois autres r gulateurs ma tres plusieurs centaines de sites diff rents dans le g nome. Sur une grande partie de ces sites, Oct4, Sox2 et Klf4 se lient tous de concert. Les sites de liaison comprennent les g nes endog nes Oct4, Sox2 et Klf4 eux-m mes, ce qui finit par cr er les types de boucles de r troaction positive que nous venons de d crire et qui rendent l'expression de ces g nes auto-entretenue (voir Figure 22-41). Mais l'auto-induction d'Oct4, Sox2 et Klf4 n'est qu'une petite partie de la transformation qui se produit. Les trois facteurs centraux activent certains g nes cibles et en r priment d'autres, produisant une cascade d'effets qui r organisent le syst me de contr le des g nes l' chelle mondiale et tous les niveaux, modifiant les mod les de modification des histones, de m thylation de l'ADN et de compaction de la chromatine, ainsi que l'expression d'innombrables prot ines et ARN non codants. la fin de ce processus complexe, la cellule iPS r sultante n'est plus d pendante des facteurs g n r s artificiellement qui ont d clench le changement : elle s'est install e dans un tat stable et autonome d'expression coordonn e des g nes, fabriquant ses propres Oct4, Sox2, Klf4 et Myc (et tous les autres ing
Biologie moléculaire de la cellule	r dients essentiels d'une cellule souche pluripotente) partir de ses propres copies endog nes des g nes. facteurs O, S, K et M tat cellulaire inchang , g ne de r sistance non exprim G ne de r sistance Fbx15 G418 La cellule iPS survit promoteur rare changement d' tat en caract re iPS, g ne de r sistance exprim Figure 22 42 Strat gie utilis e pour s lectionner des cellules qui ont t converties en caract re iPS. l'exp rience utilise un g ne (Fbx15) qui est pr sent dans toutes les cellules mais qui n'est normalement exprim que dans l'eS et les cellules embryonnaires pr coces (bien qu'il ne soit pas n cessaire leur survie). une lign e cellulaire de fibroblastes est g n tiquement modifi e pour contenir un g ne qui produit une enzyme qui d grade G418 sous le contr le de la s quence r gulatrice Fbx15. Le G418 est un antibiotique aminoglycoside qui bloque la synth se des prot ines dans les bact ries et les cellules eucaryotes. lorsque les facteurs oSkm sont exprim s artificiellement dans cette lign e cellulaire, une petite proportion des cellules subit un changement d' tat et active la s quence r gulatrice Fbx15, entra nant l'expression du g ne de r sistance G418. lorsque G418 est ajout au milieu de culture, ce sont les seules cellules qui survivent et prolif rent. lorsqu'ils sont test s, ils s'av rent avoir un caract re ipS. ~99% des cellules Vague de transcription 2 ~<1% des cellules deviennent des cellules IPS une manipulation exp rimentale des facteurs qui modifient la chromatine Peut augmenter l'efficacit de la reprogrammation La faible efficacit et la lenteur du taux de conversion sugg rent qu'il existe une barri re bloquant le passage de l' tat diff renci l' tat iPS dans ces exp riences, et que surmonter cette barri re est un processus difficile qui implique une grande part de hasard. De m me, le r sultat est variable, avec des diff rences significatives entre les diff rentes lign es de cellules transform es qui sont g n r es, m me lorsque les cellules diff renci es initiales sont g n tiquement et ph notypiquement identiques. Seules certaines des lign es iPS candidates passent tous les tests de pluripotence. Au niveau mol culaire, il existe des diff rences m me entre les cellules iPS enti rement valid es : bien qu'elles partagent de nombreuses caract ristiques, elles varient dans les d tails de leurs mod les d'expression g nique et, par exemple, dans leurs mod les de m thylation de l'ADN. Surmonter ces difficult s sera essentiel pour am liorer notre compr hension de la fa on dont la sp cialisation cellulaire est contr l e et organis e dans les organismes multicellulaires ; Il devrait galement faciliter de nombreuses avanc es m dicales. Ainsi, des recherches intensives sont men es sur le processus de reprogrammation. Une approche vise obtenir une image beaucoup plus claire du r le que jouent les structures de la chromatine dans la r gulation des g nes chez les eucaryotes. D'apr s notre discussion sur la transplantation nucl aire, on pourrait s'attendre ce que toute reprogrammation d'une cellule diff renci e n cessite un changement radical et g n ralis de la structure chromatinienne de certaines cellules G nes. Non seulement de tels changements sont observ s, mais un grand nombre d'exp riences diff rentes r v lent que l'efficacit du processus de reprogrammation peut tre consid rablement augment e en modifiant l'activit des prot ines qui affectent la structure de la chromatine. La figure 22-44 cat gorise certains des facteurs dont il a t d montr qu'ils am liorent la transformation des fibroblastes en cellules iPS ; ceux des trois rang es sup rieures les remodeleurs de la chromatine, les enzymes modifiant les histones et les variants des histones sont particuli rement bien connus pour avoir des effets profonds sur l'organisation des nucl osomes dans la chromatine (discut au chapitre 4). Nous ne pouvons ici qu'aborder bri vement les quantit s massives de donn es qui se sont accumul es dans ce domaine de recherche passionnant. Le principal d fi qui reste relever est d'obtenir un mod le au niveau des syst mes pour l'ensemble complexe de changements biochimiques impliqu s dans la reprogrammation. Par exemple, quels changements de chromatine surviennent en premier, et lesquels suivent ensuite ? Comment ceux-ci peuvent-ils tre d clench s par les r gulateurs de transcription ma tres en se liant des s quences d'ADN sp cifiques, et pourquoi de nombreuses cellules d'une population semblent-elles r sistantes ces effets ? Les cellules eS et ipS peuvent tre guid es pour g n rer des types de cellules adultes sp cifiques et m me des organes entiers Nous pouvons penser au d veloppement embryonnaire en termes d'une s rie de choix pr sent s aux cellules alors qu'elles suivent une route qui m ne de l'ovule f cond l' uf terminal Figure 22 43 R sum de certains des principaux v nements qui accompagnent la reprogrammation des fibroblastes de souris en cellules iPS. En triant les
Biologie moléculaire de la cellule	cellules diff rents moments apr s l'induction oSkm montr e, on peut effectuer des analyses biochimiques d taill es sur les diff rentes populations cellulaires pr sent es. Cela a conduit la d couverte que deux vagues majeures de transcription de nouveaux g nes sont induites, mais que la deuxi me vague ne se produit que dans le sous-ensemble de cellules exprimant une prot ine marqueur embryonnaire. Quelque 1500 g nes sont exprim s de mani re diff rentielle dans ces cellules, par rapport la grande majorit des cellules qui ne progressent pas vers les cellules ipS. Comme indiqu , des changements majeurs de m thylation de l'ADN ne sont observ s qu'apr s l'alt ration des structures de la chromatine. Dans la premi re vague de transcription, parmi les g nes induits de mani re pro minente figurent ceux de la prolif ration cellulaire, du m tabolisme et de l'organisation du cytosquelette ; En revanche, les g nes associ s au d veloppement des fibroblastes sont r prim s. Dans la deuxi me vague de transcription, les g nes n cessaires au d veloppement embryonnaire et l'entretien des cellules souches sont induits. (adapt de J.m. polo et al., Cell 151:1617 1632, 2012.) miARN sp cifiques, IncARN sp cifiques, histone d sac tylases, histones m thyltransf rases sp cifiques, histones d m thylases sp cifiques, histone ac tyltransf rases, variante d'histone H2AZ, variante d'histones macroH2A, diff renciation des d m thylases d'ADN. Apr s leur long s jour en culture, les cellules ES ou cellules iPS et leur prog niture peuvent encore lire les panneaux chaque branche de l'autoroute et r agir comme le feraient des cellules embryonnaires normales. Cependant, si les cellules ES ou iPS sont implant es directement dans un embryon un stade ult rieur ou dans un tissu adulte, elles ne re oivent pas la s quence appropri e de signaux ; Leur diff renciation n'est alors pas correctement contr l e, et ils donneront souvent naissance une tumeur du type connu sous le nom de t ratome, contenant un m lange de types cellulaires inappropri s au site dans le corps. En culture, en exposant la cellule ES ou iPS une s quence appropri e de prot ines signaux et de facteurs de croissance, d livr s au bon moment, il est possible de guider la cellule le long d'une voie qui se rapproche d'une voie de d veloppement normale, de mani re la convertir en l'un des types de cellules adultes sp cialis s standard (Figure 22-45 et vid o 22.5). Le succ s n cessite des essais et des erreurs, mais il a maintenant t atteint pour de nombreux tats finaux sp cialis s, y compris les types de cellules neuronales, musculaires et intestinales. Dans quelques cas, il a m me t possible, en manipulant soigneusement les conditions de culture, de faire interagir les cellules ES ou iPS entre elles afin de construire un organe entier, bien qu' petite chelle (Figure 22 46). acide r tino que, insuline, hormone thyro dienne Figure 22 44 Facteurs observ s pour am liorer l'efficacit de la reprogrammation. L'accent est mis ici sur les facteurs qui peuvent modifier les tats de la chromatine, ceux des trois premi res rang es ayant les plus directs Effets. une fl che vers le haut indique que la reprogrammation est augment e lorsque l'activit du facteur indiqu est augment e ; Une fl che vers le bas indique que la reprogrammation est augment e lorsque l'activit du facteur indiqu est diminu e. Ainsi, par exemple, l'augmentation de l'activit des histones ac tyltransf rases et l'augmentation de l'activit des histones d sac tylases ont des effets oppos s, comme on peut s'y attendre de leurs activit s biochimiques (voir p. 196). Figure 22 45 Production de cellules diff renci es partir de cellules eS ou iPS en culture. Ces cellules peuvent tre cultiv es ind finiment en tant que cellules pluripotentes lorsqu'elles sont attach es en tant que monocouche une bo te. Alternativement, ils peuvent tre d tach s et autoris s former des agr gats appel s corps embryo des, ce qui fait que les cellules commencent se sp cialiser. Les cellules de corps embryo des, cultiv es dans des milieux avec diff rents facteurs ajout s, peuvent ensuite tre amen es se diff rencier de diverses mani res. (d'apr s E. Fuchs et J.A. Segre, Cell 100:143 155, 2000. avec la permission d'Elsevier.) colonie de macrophages-interleukine-3, facteur de stimulation, interleukine-1 Cellules iPS des macrophages (environ 1 000 cellules) AMPc de dibutyryle, acide r tino que Cellule musculaire lisse Fbroblaste Fbroblaste Facteur de croissance 2, Facteur de croissance 2, Facteur de croissance Facteur de croissance d riv des plaquettes pidermiques Facteur de croissance 1258 Chapitre 22 : Cellules souches et tissus Renouvellement Agr gat de la boule creuse du bourgeonnement de la v sicule optique invagin s Cellules ES cultiv es Cellules neurales V sicule optique pour former la cupule optique (B) 100 m Figure 22 46 Les cellules eS en culture peuvent donner naissance un organe tridimensionnel. (a) Rema
Biologie moléculaire de la cellule	rquablement, dans des conditions appropri es, les cellules eS de souris en culture peuvent prolif rer, se diff rencier et interagir pour former une structure tridimensionnelle semblable un il, qui comprend une r tine multicouche dont l'organisation est similaire celle qui se forme in vivo. (b) Micrographie fluorescente d'une cupule optique form e par des cellules eS en culture. La structure comprend une r tine en d veloppement, contenant plusieurs couches de cellules neurales, qui produisent une prot ine (rose) qui sert de marqueur pour le tissu r tinien. (b, d'apr s M. Eiraku, N. Takata, H. Ishibashi et al., Nature 472:51 56, 2011. avec la permission de Macmillan Publishers Ltd.) Les cellules d'un type sp cialis peuvent tre forc es de se transdiff rencier directement dans un autre Le chemin que nous venons de d crire, d'un mode de diff renciation un autre via la conversion en cellule iPS, semble inutilement d tourn . Ne pourrions-nous pas convertir directement le type cellulaire A en type B, sans revenir l' tat embryonnaire d'iPS ? Depuis de nombreuses ann es, on sait qu'une telle transdiff renciation peut tre r alis e dans quelques cas particuliers, tels que la conversion de fibroblastes en cellules musculaires squelettiques par expression forc e de MyoD (voir p. 396). Mais maintenant, avec les connaissances qui ont d coul de l' tude des cellules ES et iPS, des moyens sont trouv s pour provoquer de telles interconversions dans un ventail beaucoup plus large de cas. Un exemple l gant provient d' tudes sur le c ur. En for ant l'expression d'une combinaison appropri e de facteurs non pas Oct4, Sox2, Klf4 et Myc, mais Gata4, Mef2c et Tbx5 il est possible de convertir les fibroblastes cardiaques directement en cellules musculaires cardiaques. Cela a t fait chez la souris vivante, l'aide de vecteurs r troviraux, et la transformation se produit avec une grande efficacit lorsque les vecteurs porteurs des transg nes sont inject s directement dans le tissu musculaire cardiaque lui-m me. Bien qu'ils n'occupent qu'une petite fraction du volume tissulaire, les fibroblastes du c ur sont plus nombreux que les cellules du muscle cardiaque, et ils survivent en grand nombre m me l o les cellules du muscle cardiaque sont mortes. Ainsi, dans une crise cardiaque non mortelle typique, o les cellules du muscle cardiaque sont mortes par manque d'oxyg ne, les fibroblastes prolif rent et forment une matrice collag ne afin de remplacer le muscle perdu par une cicatrice fibreuse. C'est une mauvaise r paration. En for ant l'expression des facteurs appropri s dans le c ur, comme d crit ci-dessus, il s'est av r possible, chez la souris du moins, de faire mieux que la nature et de r g n rer le muscle cardiaque perdu par transdiff renciation des fibroblastes cardiaques. Nous sommes encore loin de mettre cette technique en pratique comme traitement des crises cardiaques chez l'homme, mais elle montre ce que l'avenir peut r server, non seulement pour ce probl me m dical, mais pour beaucoup d'autres. Les cellules eS et ipS sont utiles pour la d couverte de m dicaments et l'analyse des maladies Une grande partie de l'enthousiasme autour des cellules ES et iPS et de la technologie de transdiff renciation provient de la perspective d'utiliser les cellules g n r es artificiellement pour la r paration des tissus. Il commence sembler que pratiquement n'importe quel type de tissu pourrait tre rempla able, permettant le traitement de maladies d g n ratives qui n'avaient auparavant aucun rem de. La recherche dans ce domaine progresse rapidement, mais il reste de nombreuses difficult s surmonter. traitement transplantation de cellules saines appari es Avec l'av nement des cellules iPS et de la transdiff renciation directe, au moins un obstacle majeur a t surmont , du moins en principe : le probl me du rejet immunitaire. Les cellules SE, parce qu'elles sont cr es partir d'embryons pr coces qui proviennent g n ralement de donneurs non apparent s, ne seront jamais g n tiquement identiques aux cellules du patient recevant la greffe. Les cellules transplant es et leur descendance sont donc susceptibles d' tre rejet es par le syst me immunitaire. Les cellules iPS et transdiff renci es, en revanche, peuvent tre g n r es partir d'un petit chantillon de tissu du patient et devraient donc chapper l'attaque immunitaire lorsqu'elles sont transplant es chez le m me individu. La r paration tissulaire par transplantation, cependant, n'est pas la seule application pour laquelle les cellules ES, iPS et transdiff renci es peuvent tre utilis es : il existe d'autres fa ons dont elles promettent d' tre plus imm diatement pr cieuses. En particulier, ils peuvent tre utilis s pour g n rer de grandes populations homog nes de cellules sp cialis es de n'importe quel type choisi en culture ; et ceux-ci peuvent servir l' tude des m canismes de la maladie et la recherche de nouveaux m dicaments agissant sur un type de cel
Biologie moléculaire de la cellule	lule sp cifique (Figure 22 47). Lorsqu'une maladie a une cause g n tique, nous pouvons d river des cellules iPS des personnes atteintes et utiliser ces cellules pour produire les types de cellules sp cifiques qui fonctionnent mal, pour tudier comment le dysfonctionnement se produit et pour rechercher des m dicaments qui pourraient aider y rem dier. Le syndrome de Timothy en est un exemple. Dans cette maladie g n tique rare, il existe un trouble grave et potentiellement mortel du rythme cardiaque (ainsi que plusieurs autres anomalies), la suite d'une mutation dans un type sp cifique de canal Ca2+. Pour tudier la pathologie sous-jacente, les chercheurs ont pr lev des fibroblastes cutan s de patients atteints de la maladie, g n r des cellules iPS partir des fibroblastes et conduit les cellules iPS se diff rencier en cellules musculaires cardiaques. Ces cellules, compar es aux cellules du muscle cardiaque pr par es de mani re similaire partir d'individus t moins normaux, ont montr des contractions irr guli res et des sch mas anormaux d'influx de Ca2+ et d'activit lectrique qui ont pu tre caract ris s en d tail. partir de cette d couverte, il n'y a qu'un petit pas vers le d veloppement d'un test in vitro pour des m dicaments qui pourraient corriger le mauvais comportement des cellules du muscle cardiaque. Cette approche de la d couverte de m dicaments, o les cellules iPS sont pr par es partir du patient individuel, diff renci es en type de cellule pertinent et utilis es pour tester des m dicaments candidats in vitro, semblerait repr senter une norme avanc e par rapport aux m thodes traditionnelles lentes et co teuses qui impliquent l'administration de compos s test s un grand nombre de personnes. Figure 22 47 Utilisation des cellules iPS pour la d couverte de m dicaments et pour l'analyse et le traitement des maladies g n tiques. la partie gauche du diagramme montre comment les cellules diff renci es g n r es partir de cellules ipS d riv es d'un patient atteint d'une maladie g n tique peuvent tre utilis es pour l'analyse du m canisme de la maladie et pour la d couverte de m dicaments th rapeutiques. le c t droit du sch ma montre comment le d faut g n tique peut tre r par dans les cellules ipS, qui peuvent ensuite tre induites se diff rencier de mani re appropri e et greff es chez le patient sans risque de rejet immunitaire. (d'apr s D.A. Robinton et G.Q. Daley, Nature 481:295-305, 2012). Dans le corps des mammif res adultes, les diff rents types de cellules souches sont hautement sp cialis s, chacun donnant naissance une gamme limit e de types de cellules diff renci es. Les cellules deviennent de taille restreinte ? Comment les cellules de chaque tissu empruntent-elles des voies de diff renciation sp cifiques au cours du d veloppement embryonnaire. L'une des fa ons de savoir quand mettre fin leur croissance pour forcer un retour un tat pluripotent ou totipotent est la transplantation nucl aire : et la division, de mani re limiter la taille du noyau d'une cellule diff renci e, peut tre inject e dans un ovocyte, dont un organe ou un tissu appropri ? Le cytoplasme reprogramme le g nome une approximation d'un tat embryonnaire pr coce. Cela permet la production d'un nouvel individu entier. La r version du g nome mol culaire fondamental cet tat implique des changements radicaux, l' chelle du g nome, dans la diff rence de structure de la chromatine qui distingue une tige et la m thylation de l'ADN. cellule? Remarquablement, les cellules pr lev es dans la masse cellulaire interne d'un embryon de mammif re pr coce comment est l' quilibre correct entre peuvent tre propag es en culture ind finiment dans un tat pluripotent. Lorsqu'elles sont transplant es de cellules souches, de cellules prog nitrices et de retour dans un embryon pr coce h te, ces cellules souches embryonnaires (ES) peuvent contribuer n'importe quel tissu, y compris la lign e germinale. Les cellules ES ont t inestimables pour l'ing nierie g n tique, le tissu ou l'organe ? neering chez la souris. Des cellules ayant des propri t s similaires, appel es cellules souches pluripotentes induites (cellules iPS), peuvent tre g n r es partir de cellules diff renci es adultes telles que les fibroblastes par quel r le la structure de la chromatine exprime-t-elle l'expression forc e d'un cocktail de r gulateurs de transcription cl s. Une m thode similaire dans la m moire cellulaire et dans la reprogrammation cellulaire ? Peut tre utilis pour reprogrammer les cellules adultes directement d'un tat sp cialis un autre. En principe, les cellules iPS g n r es partir de cellules biopsi es chez un patient humain adulte comment les mol cules h rit es pourraient-elles tre utilis es pour la r paration tissulaire chez ce m me individu, vitant ainsi le probl me de l'asym trie lors de la division cellulaire ? rejet immunitaire. Plus imm diatement, ils fournissent une source de cellules sp cialis
Biologie moléculaire de la cellule	es qui peuvent tre utilis es pour analyser in vitro les effets des mutations affectant les cellules humaines et pour Comment les cellules germinales vitent-elles le vieillissement ? D pistage de m dicaments pour le traitement de maladies g n tiques. Quelles d clarations sont vraies ? Expliquez pourquoi ou pourquoi pas. 22 1 Dans l'intestin gr le, les cellules souches des cryptes se divisent de mani re asym trique pour maintenir la population de cellules qui composent les villosit s ; Apr s chaque division, une fille reste une cellule souche et l'autre commence se diviser rapidement pour produire une descendance diff renci e. 22 2 Les cellules souches, tant des cellules souches, sont par d finition les m mes dans tous les tissus.22 3 Chaque tissu qui peut tre renouvel est renouvel partir d'une population de cellules souches sp cifique au tissu. La perturbation de l' quilibre dans les activit s des ost oblastes et des ost oclastes en faveur des ost oclastes peut donner lieu la maladie connue sous le nom d'ost oporose, le syndrome des os fragiles des personnes g es. Discutez des probl mes suivants. Dans les ann es 1950, les scientifiques ont nourri des rats avec de la 3H-thymidine pour marquer des cellules synth tisant de l'ADN, puis ont suivi le destin des cellules marqu es pendant des p riodes allant jusqu' un an. Ils ont trouv trois mod les de marquage cellulaire dans diff rents tissus. Les cellules de certains tissus, tels que les neurones du syst me nerveux central et de la r tine, n'ont pas t tiquet es. Les muscles, les reins et le foie, en revanche, ont chacun montr un petit nombre de cellules marqu es qui ont conserv leur tiquette, apparemment sans autre division ou perte. Enfin, des cellules telles que celles de l' pith lium squameux de la langue et de l' sophage ont t marqu es en assez grand nombre, avec des paires de noyaux radioactifs visibles en 12 heures ; Cependant, les cellules marqu es ont disparu avec le temps. Lequel de ces trois mod les de marquage vous attendriez-vous voir si les cellules marqu es taient g n r es par des cellules souches ? Expliquez votre r ponse. 22 6 tout moment, les cryptes intestinales des souris comprennent environ 15 cellules souches et 10 cellules de Paneth. Apr s la division cellulaire, qui se produit environ une fois par jour, les cellules filles ne restent des cellules souches que si elles restent en contact avec une cellule de Paneth. Cette concurrence constante pour le contact avec la cellule Paneth soul ve la possibilit que les cryptes peuvent devenir monoclonales avec le temps ; C'est- -dire que les cellules de la crypte un moment donn pourraient d river de seulement 1 des 15 cellules souches qui existaient une poque ant rieure. Pour tester cette possibilit , vous utilisez ce que l'on appelle le marqueur de confettis qui, lors de l'activation, exprime l'une des trois prot ines fluorescentes dans les cellules souches de la crypte. Vous examinez ensuite les cryptes diff rents moments pour d terminer si elles contiennent des cellules de plusieurs couleurs ou d'une seule couleur (Figure Q22 1). Les cryptes deviennent-elles monoclonales avec le temps ou non ? Comment pouvez-vous le savoir ? L'origine de nouvelles cellules du pancr as partir de cellules souches ou de cellules pr existantes n'a t r solue qu'il y a une dizaine d'ann es, lorsque la technique du tra age de la lign e a t utilis e pour trancher la question. En utilisant des souris transg niques qui exprimaient une forme de Cre recombinase activ e par le tamoxif ne sous le contr le du promoteur de l'insuline, qui n'est actif que dans les cellules , les chercheurs ont pu retirer un segment inhibiteur de l'ADN et permettre ainsi l'expression de la phosphatase alcaline placentaire humaine (HPAP), qui peut tre d tect e par coloration histochimique. Apr s une impulsion de tamoxif ne qui a converti environ 30 % des cellules de chez les jeunes souris en microvillosit s 22 8, l'un des premiers tests pour les cellules souches h matopo tiques a utilis leur capacit former des colonies dans la rate de souris fortement irradi es. En faisant varier les montants Figure Q22 1 Cellules fluorescentes dans les cryptes des intestins de souris divers moments apr s l'activation de l'expression de prot ines fluorescentes (probl me 22 6). Les images sont prises dans le plan XZ, qui traverse plusieurs cryptes, comme l'indique le sch ma de sch ma. Environ 50 cryptes sont visibles dans chaque section. Des cercles blancs pointill s identifient certaines cryptes individuelles. Les barres d' chelle mesurent 100 m. (adapt de h.J. Snippert et al., Cell 143:134 144, 2010. avec la permission d'Elsevier.) cellules qui expriment HPAP, les chercheurs ont suivi le pourcentage de cellules marqu es pendant un an, p riode au cours de laquelle le nombre total de cellules dans le pancr as a augment de 6,5 fois. Comment pensez-vous que le pourcentage de cellules chang
Biologie moléculaire de la cellule	erait au fil du temps si de nouvelles cellules taient d riv es de cellules souches ? Et si de nouvelles cellules taient d riv es de cellules pr existantes ? Quelle hypoth se les r sultats de la figure Q22-2 soutiennent-ils ? Parmi les cellules de moelle osseuse transplant es, les chercheurs ont montr que le nombre de colonies de rate variait lin airement avec la dose et que la courbe passait par l'origine, sugg rant que les cellules uniques taient capables de former des colonies individuelles. Cependant, comme la formation de colonies tait rare par rapport au nombre de cellules transplant es, il tait possible que des amas non dispers s de deux cellules ou plus soient les initiateurs r els. Un article classique a r solu ce probl me en exploitant des r arrangements g nomiques rares, cytologiquement visibles, g n r s par l'irradiation. Les souris receveuses ont d'abord t irradi es pour puiser les cellules de la moelle osseuse, puis elles ont t irradi es une deuxi me fois apr s la transplantation pour g n rer des r arrangements g nomiques rares dans la population de cellules transplant es. Les colonies de rate ont ensuite t examin es pour trouver celles qui portaient des r arrangements g nomiques. Comment pensez-vous que cette exp rience fait la distinction entre la colonisation par des cellules uniques et des agr gats cellulaires ? 22 9 Il est possible de purifier les cellules souches h matopo tiques en utilisant une combinaison d'anticorps dirig s contre des cibles de surface cellulaire. En supprimant les cellules qui exprimaient des marqueurs de surface caract ristiques de lign es sp cifiques telles que les lymphocytes B, les granulocytes, les cellules my lomonocytaires et les lymphocytes T, les chercheurs ont g n r une population de cellules enrichie en cellules souches. Ils ont encore enrichi cette population pour les cellules souches pr sum es en s lectionnant positivement les cellules qui exprimaient des marqueurs de surface suspect s de cellules souches. La formation de colonies de rate chez les souris irradi es par ces cellules souches pr sum es et les cellules non fractionn es de la moelle osseuse est illustr e la figure Q22 3. tant donn que seulement environ 1 cellule sur 10 se loge dans la rate, ces r sultats soutiennent-ils l'id e que la population enrichie se compose principalement de cellules souches h matopo tiques ? De quelles informations suppl mentaires auriez-vous besoin pour tre s r que les cellules enrichies sont de v ritables cellules souches ? Quelle proportion des cellules de la moelle osseuse sont des cellules souches h matopo tiques ? 22 10 La g n ration de cellules souches pluripotentes induites (iPS) a d'abord t r alis e l'aide de vecteurs r troviraux pour transporter l'ensemble des r gulateurs de transcription OSKM (Oct4, Sox2, Klf4 et Myc) dans les cellules. L'efficacit de la reprogrammation des fibroblastes tait g n ralement faible (0,01%), en partie parce qu'un grand nombre de r trovirus doivent s'int grer pour provoquer la reprogrammation et que chaque v nement d'int gration comporte le risque de perturber ou activer de mani re inappropri e un g ne critique. De quelles autres mani res, ou sous d'autres formes, pensez-vous que vous pourriez fournir les r gulateurs de transcription OSKM afin d' viter ces probl mes ? pourcentage de cellulesexprimant le nombre de cellules de colonies HPAP (probl me 22 9). Figure Q22 2 : pourcentage de cellules marqu es dans les lots pancr atiques de souris diff rents ges (probl me 22 7). Toutes les souris ont re u une injection d'une impulsion de tamoxif ne l' ge de 6 8 semaines, puis ont t color es pour la phosphatase alcaline placentaire humaine 1 (HPAP) divers moments par la suite. Les barres d'erreur 101, 102, 103, 104, 105, 106 repr sentent des carts-types. Nombre de cellules inject es Fawcett dw & Jensh R (2002) bloom et Fawcett's Concise histology, 2e d. new york/londres : arnold. Gurdon Jb & melton da (2008) Reprogrammation nucl aire dans les cellules. Science 322, 1811-1815. li l & Xie t (2005) Niche des cellules souches : structure et fonction. Annu. Rev. Cell Dev. Biol. 21, 605 631. losick vp, morris lX, Fox dt & Spradling a (2011) Drosophila stem cell niches : a decade of discovery sugg re une vision unifi e de la r gulation des cellules souches. Dev. Cell 21, 159 171. young b, woodford p & o'dowd g (2014) wheater's Functional histology : a text and Colour atlas, 6e d. dimbourg : Churchill livingstone/elsevier. barker n, van es jh, kuipers j et al. (2007) identification des cellules souches dans l'intestin gr le et le c lon par le g ne marqueur Lgr5. Nature 449, 1003 1007. blanpain C & Fuchs e (2014) plasticit des cellules souches pith liales dans la r g n ration tissulaire. Science 344, 1242281. Crosnier C, Stamataki d & Lewis J (2006) Organiser le renouvellement cellulaire dans l'intestin : cellules souches, signaux et contr le combinatoire. R v rend Genet. 7, 3
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Biologie moléculaire de la cellule	sur ou dans un organisme h te est une strat gie tr s efficace, et il est possible que chaque organisme sur Terre soit sujet un certain type d'infection (Figure 23 1). Un h te humain est un environnement riche en nutriments, chaud et humide, qui reste une temp rature uniforme et se renouvelle constamment. Il n'est pas surprenant que de nombreux micro-organismes aient d velopp la capacit de survivre et de se reproduire dans ce cr neau souhaitable. Dans cette section, nous discutons de certaines des caract ristiques communes que les micro-organismes doivent avoir pour coloniser le corps humain ou causer des maladies, et nous explorons la grande vari t d'organismes connus pour causer des maladies. Le microbiote humain est un syst me cologique complexe qui est important pour notre d veloppement et notre sant Le corps humain contient environ 1013 cellules humaines, ainsi qu'un microbiote compos d'environ 1014 cellules bact riennes, fongiques et protozoaires, qui repr sentent des milliers d'esp ces microbiennes la flore dite normale. Les g nomes combin s des diff rentes esp ces du microbiote humain, appel s microbiome, contiennent plus de 5 106 g nes, soit plus de 100 fois plus que le nombre de g nes du g nome humain lui-m me. Une cons quence de cette diversit g nomique est que le microbiote largit la gamme des activit s biochimiques et m taboliques disponibles pour l'homme. Le microbiote est g n ralement confin la peau, la bouche, au tube digestif et au vagin. l'exception des microbes qui colonisent la peau, il se compose principalement de bact ries ana robies, avec des communaut s distinctes d'esp ces habitant chaque partie du corps. Ces communaut s varient consid rablement entre les humains, m me entre parents proches ou jumeaux identiques. Bien que le microbiote d'un individu soit g n ralement constant au fil du temps, il est influenc par divers facteurs, notamment l' ge, l'alimentation, l' tat de sant et l'utilisation d'antibiotiques. Il existe diverses relations cologiques que ces microbes entretiennent avec leur h te. Dans le mutualisme, le microbe et l'h te en b n ficient. Les bact ries ana robies qui habitent nos intestins, par exemple, trouvent un abri et un apport en nutriments, mais contribuent galement la digestion de nos aliments, produisent des nutriments importants pour nous et sont essentielles au d veloppement normal de notre tractus gastro-intestinal et de nos syst mes immunitaires inn s et adaptatifs. Dans le commensalisme, le microbe b n ficie mais n'offre aucun avantage et ne cause aucun dommage : par exemple, nous sommes infect s par de nombreux virus qui n'ont aucun effet notable sur notre sant . Dans le parasitisme, le microbe profite au d triment de l'h te, comme c'est souvent le cas pour les agents pathog nes. De nombreuses maladies infectieuses sont caus es par un seul agent pathog ne. Cependant, il est de plus en plus vident qu'un d s quilibre dans la communaut de microbes qui constituent le microbiote peut contribuer certaines maladies, notamment les maladies auto-immunes et allergiques, l'ob sit , les maladies inflammatoires de l'intestin et le diab te. Remarquablement, dans de tels cas de d s quilibre du microbiote (appel dysbiose), le transfert du microbiote d'un individu sain une personne souffrant de la maladie peut tre b n fique et parfois curatif, comme dans le cas de la colite Clostridium difficile caus e par une prolif ration de la bact rie. Les agents pathog nes interagissent avec leurs h tes de diff rentes mani res S'il est normal pour nous de vivre avec une communaut de microbes, pourquoi certains d'entre eux sont-ils capables de nous causer la maladie ou la mort ? Bien que la capacit d'un Figure 23 1 Parasitisme plusieurs niveaux. La plupart des animaux h bergent des parasites, un exemple tant la tique pattes noires ou la tique du cerf (Ixodes scapularis), repr sent e ici sur un doigt humain. Bien que les tiques de cette esp ce se nourrissent de cerfs de Virginie et d'autres mammif res sauvages, elles peuvent galement se nourrir d'humains. Les tiques elles-m mes h bergent leurs propres parasites, y compris la bact rie Borrelia burgdorferi, tach e ici avec un colorant vital qui tiquette les bact ries vivantes en vert et les bact ries mortes en rouge. Ces bact ries en forme de spirale vivent chez les tiques du cerf et peuvent tre transmises aux humains lors du repas de sang d'une tique. Borrelia burgdorferi provoque la maladie de Lyme, qui se caract rise par une ruption cutan e en forme d' il de b uf et de la fi vre ; Si l'infection n'est pas trait e, diverses complications peuvent en r sulter, notamment de l'arthrite et des anomalies neurologiques. L'id e que les parasites ont leurs propres parasites a t not e par Jonathan Swift en 1733 : Ainsi, les naturalistes observent, une puce a des puces plus petites qui se nourrissent sur elle ; Et ceux-ci ont encore plus petits pour les mordre ; Et ainsi de suite l'
Biologie moléculaire de la cellule	infini. (A, de Glands, de souris pattes blanches et du cycle des tiques augmentent les risques de maladie de Lyme en 2012. 14 mars 2012. R imprim avec la permission d'Anita Sil ; B, avec l'aimable autorisation de M. Braises.) Le micro-organisme pour provoquer une maladie d pend de nombreux facteurs, il n cessite que l'agent pathog ne poss de des caract ristiques pathog nes sp cialis es qui lui permettent de vivre chez l'homme. Les agents pathog nes primaires peuvent provoquer une maladie manifeste chez la plupart des personnes en bonne sant . Certains agents pathog nes primaires provoquent des infections pid miques aigu s et potentiellement mortelles et se propagent rapidement d'un h te malade ou mourant un autre ; Parmi les exemples historiquement importants, citons la bact rie Vibrio cholerae, qui cause le chol ra, et les virus de la variole et de la grippe, qui causent respectivement la variole et la grippe. D'autres peuvent infecter de mani re persistante un seul individu pendant des ann es sans provoquer de maladie manifeste ; par exemple, la bact rie Mycobacterium tuberculosis (qui peut causer une infection pulmonaire potentiellement mortelle la tuberculose) et le ver intestinal Ascaris. Bien que ces agents pathog nes primaires potentiels puissent rendre certaines personnes gravement malades, des milliards de personnes sont porteuses de ces organismes trangers de mani re asymptomatique, ignorant souvent qu'elles sont infect es. Il est parfois difficile de tracer une ligne entre la pr sence asymptomatique de tels agents pathog nes et le microbiote normal. Certains microbes de la flore normale peuvent agir comme des agents pathog nes opportunistes, en ce sens qu'ils ne causent des maladies que si notre syst me immunitaire est affaibli ou s'ils acc dent une partie normalement st rile de la flore. corps. Pour survivre et se multiplier, un agent pathog ne efficace doit tre capable de : (1) p n trer dans l'h te (g n ralement en brisant une barri re pith liale) ; (2) trouver une niche nutritionnellement compatible dans le corps de l'h te ; (3) viter, subvertir ou contourner les r ponses immunitaires inn es et adaptatives de l'h te ; (4) la r plication l'aide des ressources de l'h te ; et (5) sortir d'un h te et se propager un autre. Les agents pathog nes ont d velopp divers m canismes qui exploitent au maximum la biologie de leurs organismes h tes pour aider accomplir ces t ches. Pour certains agents pathog nes, ces m canismes sont adapt s une esp ce h te unique, tandis que pour d'autres, les m canismes sont suffisamment g n raux pour permettre l'invasion, la survie et la r plication dans une grande vari t d'h tes. Parce que les agents pathog nes ont d velopp la capacit d'interagir directement avec la machinerie mol culaire des cellules h tes, nous avons beaucoup appris sur les principes biologiques cellulaires en les tudiant. Notre exposition constante aux agents pathog nes a fortement influenc l' volution humaine. l' poque moderne, les humains ont appris limiter la capacit des agents pathog nes nous infecter en am liorant les mesures de sant publique et la nutrition des enfants, les vaccins, les m dicaments antimicrobiens et les tests de routine du sang utilis pour les transfusions. Au fur et mesure que nous en apprendrons davantage sur les m canismes par lesquels les agents pathog nes causent des maladies (appel es pathogen se), notre cr ativit et notre ing niosit continueront de servir d'ajout important notre syst me immunitaire dans la lutte contre les maladies infectieuses. Les agents pathog nes peuvent contribuer au cancer, aux maladies cardiovasculaires et d'autres maladies chroniques Certains agents pathog nes viraux et bact riens peuvent causer ou contribuer des maladies chroniques potentiellement mortelles qui ne sont normalement pas class es comme des maladies infectieuses. Le cancer en est un exemple important. Comme nous l'avons vu au chapitre 20, le concept d'oncog ne selon lequel certains g nes modifi s peuvent d clencher la transformation cellulaire et le d veloppement tumoral est initialement issu d' tudes sur le virus du sarcome de Rous, qui provoque une forme de cancer (sarcomes) chez les poulets. L'un des g nes viraux code pour un homologue hyperactif de la tyrosine kinase de l'h te Src (voir Figure 3-63), qui a t impliqu dans de nombreux types de cancer. Plusieurs cancers humains sont galement connus pour avoir une origine virale. Le virus du papillome humain, par exemple, qui est l'origine des verrues g nitales, est responsable de plus de 90 % des cancers du col de l'ut rus (voir figure 20 40). La mise au point r cente d'un vaccin contre les souches les plus abondantes du virus du papillome humain associ es au cancer promet de pr venir bon nombre de ces cancers l'avenir. Dans d'autres cas, des l sions tissulaires chroniques caus es par une infection peuvent augmenter le risque de cancer. L'inflammation caus e par la bact
Biologie moléculaire de la cellule	rie H. pylori peut tre un contributeur majeur au cancer de l'estomac, ainsi qu'aux ulc res gastriques. Les principales causes de d c s dans les pays industrialis s riches sont les maladies cardiovasculaires. Ils r sultent souvent de l'ath roscl rose, l'accumulation dans les parois des vaisseaux sanguins de d p ts graisseux qui peuvent bloquer la circulation sanguine et provoquer des crises cardiaques et des accidents vasculaires c r braux. L'une des caract ristiques de l'ath roscl rose pr coce est l'apparition dans les parois des vaisseaux sanguins d'amas de macrophages appel s cellules spumeuses, qui recrutent d'autres globules blancs dans la plaque d'ath roscl rose en formation. Les cellules spumeuses des plaques d'ath roscl rose contiennent souvent l'agent pathog ne bact rien Chlamydia pneumoniae, qui provoque g n ralement une pneumonie chez l'homme et constitue un facteur de risque important d'ath roscl rose chez l'homme et les mod les animaux. D'autres esp ces bact riennes sont galement impliqu es dans l'ath roscl rose, notamment les bact ries g n ralement associ es aux dents et aux gencives, telles que Porphyromonas gingivalis. Au fur et mesure que nous en apprenons davantage sur les interactions entre les agents pathog nes et le corps humain, il semble probable que davantage de maladies chroniques auront un lien avec un agent infectieux. Les agents pathog nes peuvent tre des virus, des bact ries ou des eucaryotes De nombreux types d'agents pathog nes causent des maladies chez l'homme. Les plus connus sont les virus et les bact ries. Les virus causent des maladies allant du sida et de la variole au rhume. Les virus sont essentiellement des fragments d'acide nucl ique (ADN ou ARN) qui codent g n ralement pour un nombre relativement faible de produits g niques, envelopp s dans une enveloppe protectrice de prot ines (Figure 23-2A) et (dans certains cas) une enveloppe membranaire externe (voir Figure 5-62). Beaucoup plus grandes et plus complexes que les virus, les bact ries sont des cellules procaryotes, qui effectuent la majeure partie de la leurs fonctions m taboliques de base elles-m mes, en s'appuyant principalement sur l'h te pour se nourrir (figures 23 2B). Certains autres agents infectieux sont des organismes eucaryotes. Il s'agit de champignons unicellulaires et de protozoaires (figures 23-2C) de m tazoaires de grande taille et complexes, tels que des vers parasites. L'un des parasites humains les plus courants, partag par environ un milliard de personnes l'heure actuelle, est le ver n matode Ascaris lumbricoides, qui infecte l'intestin (Figure 23-2D). Il ressemble beaucoup son cousin n matode inoffensif, Caenorhabditis elegans, qui est utilis comme organisme mod le pour la recherche g n tique et biologique du d veloppement (voir Figure 1-39). C. elegans, cependant, ne mesure qu'environ 1 mm de long, alors qu'Ascaris peut atteindre 30 cm. Nous pr sentons maintenant les caract ristiques de base de chacun des principaux types d'agents pathog nes, avant d'examiner les m canismes que les agents pathog nes utilisent pour infecter leurs h tes. Figure 23 2 Agents pathog nes sous de nombreuses formes. La structure de l'enveloppe prot ique, ou capside, du poliovirus. Ce virus tait autrefois une cause fr quente de paralysie, mais la maladie (poliomy lite) a t consid rablement r duite par une vaccination g n ralis e. La bact rie Vibrio cholerae, l'agent causal de l' pid mie, la maladie diarrh ique chol ra. (C) Le parasite protozoaire Trypanosoma brucei (violet) dans un champ d' rythrocytes (globules rouges ; rose). Ce parasite est l'origine de la maladie du sommeil africaine, une maladie potentiellement mortelle du syst me nerveux central. (D) Cette grappe de n matodes Ascaris a t retir e de l'intestin obstru d'un gar on de deux ans. (A, avec l'aimable autorisation de Robert Grant, Stephan Crainic et James M. Hogle ; B, photographie reproduite avec l'aimable autorisation de John Mekalanos ; C, CDC, minist re de la Sant et des Services sociaux ; D, d'apr s J.K. Baird et al., Am. J. Trop. Med. Hyg. 35:314 318, 1986. Photographie de Daniel H. Connor.) lipopolysaccharide (LPS) foliole externe de la prot ine de pore de la membrane externe Figure 23 3 Formes bact riennes et structures de surface cellulaire. (A) Les bact ries sont traditionnellement class es par forme. (B et C) Ils sont galement class s comme Gram positif ou Gram n gatif. (B) Les bact ries Gram positif telles que Streptococcus et Staphylococcus ont une seule membrane et une paroi cellulaire paisse faite de peptidoglycane r ticul . Ils sont appel s Gram positif parce qu'ils conservent le colorant violet utilis dans la proc dure de coloration de Gram. (C) Les bact ries Gram n gatif telles qu'Escherichia coli (E. coli) et Salmonella ont deux membranes, s par es par le p riplasme (voir Figure 11 17). La paroi cellulaire du peptidoglycane de ces organismes est situ e dans le p riplasme et est plus mince que chez les
Biologie moléculaire de la cellule	bact ries Gram positif ; ils ne parviennent donc pas retenir le colorant dans la proc dure de coloration de Gram. La membrane interne des bact ries Gram positif et Gram n gatif est une bicouche phospholipidique. Le feuillet interne de la membrane externe des bact ries Gram n gatif est galement compos principalement de phospholipides, tandis que le feuillet externe de la membrane externe est compos d'un lipide glycosyl unique appel lipopolysaccharide (LPS). (D) Les appendices de surface cellulaire sont importants pour le comportement bact rien. De nombreuses bact ries nagent en utilisant la rotation des flagelles h lico daux. La bact rie illustr e n'a qu'un seul flagelle un p le ; Cependant, beaucoup ont plusieurs flagelles. Les pili droits ( galement appel s fimbriae) sont utilis s pour adh rer diverses surfaces de l'h te, ainsi que pour faciliter l' change g n tique entre les bact ries. Certains types de pili peuvent se r tracter pour g n rer une force et ainsi aider les bact ries se d placer le long des surfaces. Les bact ries sont diverses et occupent une vari t remarquable de niches cologiques Bien que les bact ries n'aient g n ralement pas de membranes internes, ce sont des cellules tr s sophistiqu es dont l'organisation et les comportements ont attir l'attention de nombreux scientifiques. Les bact ries sont class es en fonction de leur forme (b tonnets, sph res (cocci) ou spirales (figures 23-3A) et de leurs propri t s de coloration de Gram, qui refl tent les diff rences dans la structure de la paroi cellulaire bact rienne. Les bact ries Gram positif ont une paisse couche de paroi cellulaire de peptidoglycane l'ext rieur de leur membrane interne (plasma) (Figure 23-3B), tandis que les bact ries Gram n gatif ont une paroi cellulaire de peptidoglycane plus mince. Dans les deux cas, la paroi cellulaire prot ge contre la lyse par gonflement osmotique, et elle est la cible des prot ines antibact riennes de l'h te telles que le lysozyme et des antibiotiques tels que la p nicilline. Les bact ries Gram n gatif sont galement recouvertes l'ext rieur de la paroi cellulaire par une membrane externe contenant du lipopolysaccharide (LPS) (Figure 23 3C). Le peptidoglycane et le LPS sont tous deux propres aux bact ries et sont reconnus comme des motifs mol culaires associ s des agents pathog nes (PAMP) par le syst me immunitaire inn de l'h te, comme nous l'avons vu au chapitre 24. La surface des cellules bact riennes peut galement pr senter un ventail d'appendices, y compris des flagelles et des pili, qui permettent aux bact ries de nager ou d'adh rer aux surfaces souhait es, respectivement (Figure 23-3D). Outre la forme et la structure cellulaires, les diff rences dans l'ARN ribosomique et la s quence d'ADN g nomique sont galement utilis es pour la classification phylog n tique. Parce que les g nomes bact riens sont petits g n ralement entre 1 000 000 et 5 000 000 paires de nucl otides (contre plus de 3 000 000 000 pour les humains) ils sont maintenant simples s quencer, ce qui en fait un nouvel outil de classification important. Les bact ries pr sentent galement une extraordinaire diversit mol culaire, m tabolique et cologique. Au niveau mol culaire, les bact ries sont beaucoup plus diversifi es que les eucaryotes, et elles peuvent occuper des niches cologiques ayant des temp ratures extr mes, des concentrations de sel et une limitation des nutriments. Certaines bact ries se r pliquent dans un r servoir environnemental tel que l'eau ou le sol et ne causent des maladies que si elles rencontrent un h te sensible ; On les appelle des agents pathog nes facultatifs. D'autres ne peuvent se r pliquer qu' l'int rieur du corps de leur h te et sont donc appel s agents pathog nes obligatoires. Les bact ries diff rent galement par la gamme d'h tes qu'elles infectent. Shigella flexneri, par exemple, qui provoque une dysenterie pid mique (diarrh e sanglante), n'infectera que les humains et les autres primates. En revanche, la bact rie troitement apparent e Salmonella enterica, qui est une cause fr quente d'intoxication alimentaire chez l'homme, peut galement infecter d'autres vert br s, notamment les poulets et les tortues. Un g n raliste champion est l'agent pathog ne opportuniste Pseudomonas aeruginosa, qui peut provoquer des maladies chez une grande vari t de plantes et d'animaux. Les bact ries pathog nes et leurs parents non pathog nes les plus proches diff rent souvent par un nombre relativement faible de g nes. Les g nes qui contribuent la capacit d'un organisme provoquer une maladie sont appel s g nes de virulence, et les prot ines qu'ils codent sont appel es facteurs de virulence. Ces g nes de virulence sont souvent regroup s sur le chromosome bact rien ; Les grands groupes sont appel s lots de pathog nicit . Les g nes de virulence peuvent galement tre port s sur des bact riophages (virus bact riens) ou des transposons (voir tableau 5 4), qui s'int g
Biologie moléculaire de la cellule	rent tous deux dans le chromosome bact rien, ou sur des plasmides de virulence extrachromosomiques (figure 23 4A). On pense que les bact ries pathog nes mergent lorsque des groupes de g nes de virulence sont transf r s ensemble dans une bact rie auparavant avirulente par un processus appel transfert horizontal de g nes (pour le distinguer du transfert vertical de g nes du parent la prog niture). Le transfert horizontal peut se produire par l'un des trois m canismes suivants : la transformation naturelle par l'ADN nu lib r , la transduction par les bact riophages ou l' change sexuel par conjugaison (Figure 23-4B et vid o 23.1). Le s quen age des g nomes d'un grand nombre de bact ries pathog nes et non pathog nes a indiqu que le transfert horizontal de g nes a apport d'importantes contributions l' volution bact rienne, permettant aux esp ces d'habiter de nouvelles niches cologiques et nutritionnelles, ainsi que de provoquer des maladies. M me au sein d'une m me esp ce bact rienne, la quantit de E. coli Shigella fexneri Salmonella enterica Figure 23 4 Diff rences g n tiques entre les bact ries pathog nes et non pathog nes. (A) Diff rences g n tiques entre E. coli non pathog ne et deux agents pathog nes d'origine alimentaire troitement apparent s : Shigella flexneri, qui cause la dysenterie, et Salmonella enterica, une cause fr quente d'intoxication alimentaire. E. coli non pathog ne a un seul chromosome circulaire. Le chromosome de S. flexneri diff re de celui d'E. coli un nombre limit d'endroits ; La plupart des g nes n cessaires la pathogen se (g nes de virulence) sont port s sur un plasmide de virulence extrachromosomique. Le chromosome de S. enterica porte deux grands inserts ( lots de pathog nicit ) que l'on ne trouve pas dans le chromosome d'E. coli ; Ces inserts contiennent chacun de nombreux g nes de virulence. (B) Les pathog nes bact riens voluent par transfert horizontal de g nes. Cela peut se produire par trois m canismes : la transformation naturelle, dans laquelle l'ADN nu est absorb par des bact ries comp tentes ; transduction, dans laquelle les bact ries les virus (bact riophages) transf rent l'ADN d'une bact rie une autre ; et la conjugaison, au cours de laquelle l'ADN plasmidique, et m me l'ADN chromosomique, est transf r d'une bact rie donneuse une bact rie r ceptrice. V. cholerae V. cholerae O1 s rogroupe V. cholerae O1 s rogroupe Classique V. cholerae O139 s rogroupe VSP1 VSP2 CTX Classique CTX El Tor RS1 O139 antig ne SXT 1 re 6 me pand mie 7 me pand mie La variation de V. cholerae est tonnante ; les g nomes des diff rentes souches d'Escherichia coli peuvent diff rer jusqu' 25 %. Une telle variation a conduit au concept qu'une esp ce bact rienne a la fois un g nome central commun tous les isolats de l'esp ce et un pan-g nome plus vaste compos de tous les g nes pr sents dans le spectre complet des isolats. L'acquisition de g nes et de groupes de g nes peut entra ner l' volution rapide d'agents pathog nes et transformer des non-agents pathog nes en agents pathog nes. Prenons, par exemple, Vibrio cholerae, la bact rie Gram n gatif qui cause la maladie diarrh ique pid mique chol ra. Sur les centaines de souches de Vibrio cholerae, les seules qui causent une maladie humaine pand mique sont celles infect es par un bact riophage mobile (CTX ) contenant des g nes codant pour les deux sous-unit s de la toxine qui cause la diarrh e. Comme le r sume la figure 23-5, sept pand mies de V. cholerae sont apparues depuis 1817. Les six premiers ont t caus s par la r mergence p riodique de souches dites classiques. En plus du bact riophage codant pour la toxine, ces souches classiques partageaient un antig ne de surface O1 similaire, une partie du LPS dans la membrane externe (voir Figure 23-3C). En 1961, la septi me pand mie a commenc , caus e par une nouvelle souche nomm e El Tor , qui est apparue lorsqu'une souche exprimant O1 a acquis deux bact riophages et au moins deux nouveaux lots de pathog nicit . El Tor a finalement remplac les souches classiques. En 1992, une nouvelle souche est apparue dans laquelle O1 a t remplac par une autre variante de l'antig ne O appel e O139, qui n' tait pas reconnue par les anticorps pr sents dans le sang des survivants des pid mies de chol ra pr c dentes. La souche O139 contient galement un l ment de type transposon qui code pour la r sistance aux antibiotiques. Comme le montre clairement cet exemple, l' volution rapide des bact ries pathog nes peut tre compar e une course aux armements qui oppose la survie d'une bact rie notre syst me immunitaire et aux outils de la m decine moderne. Des luttes similaires pour la survie ont lieu entre tous les agents pathog nes et les humains, et la compr hension de ces conflits fournit des informations cl s sur l' volution des agents pathog nes et nous informe grandement sur la fa on dont nous traitons les nouvelles pid mies de maladies infectieuses. Les g nes de virule
Biologie moléculaire de la cellule	nce bact rienne codent pour des prot ines effectrices et des syst mes de s cr tion pour d livrer des prot ines effectrices aux cellules h tes Quels sont les produits g niques qui permettent une bact rie de provoquer une maladie chez un h te sain ? Pour les bact ries pathog nes qui vivent l'ext rieur des cellules h tes, appel es extracellulaires Figure 23 5 Mod le bas sur la g nomique comparative pour l' volution des souches pathog nes de Vibrio cholerae. Les souches prog nitrices dans la nature ont d'abord acquis la voie de biosynth se n cessaire pour fabriquer le type d'antig ne O1 de la cha ne glucidique sur le lipopolysaccharide de la membrane externe (voir Figure 23-3C). L'incorporation du bact riophage CTX a cr les souches pathog nes classiques responsables des six premi res pid mies mondiales de chol ra entre 1817 et 1923. Au cours du XXe si cle, une souche O1 pr sente dans l'environnement et a de nouveau d tect le bact riophage CTX , ainsi qu'un bact riophage RS1 associ et deux lots de pathog nicit (VSP1 et VSP2), cr ant ainsi la souche El Tor qui est apparue comme la septi me pand mie mondiale en 1961. En 1992, une souche d'El Tor a t isol e qui avait capt une nouvelle cassette d'ADN, ce qui lui a permis de produire le type de cha ne glucidique de l'antig ne O139 plut t que le type O1. Cela a modifi l'interaction de la bact rie avec le syst me immunitaire humain, sans diminuer sa virulence ; cette bact rie a galement attrap un nouvel lot de pathog nicit (SXT). La figure 23-2B montre une micrographie lectronique de Vibrio cholerae (V. cholerae). Les g nes de virulence codent souvent pour des prot ines toxiques s cr t es (toxines) qui interagissent avec les prot ines structurelles ou de signalisation de la cellule h te pour provoquer une r ponse b n fique l'agent pathog ne. Plusieurs de ces toxines bact riennes sont parmi les poisons humains les plus puissants connus. Les toxines bact riennes sont souvent compos es de deux composants prot iques : une sous-unit A avec une activit enzymatique et une sous-unit B qui se lie des r cepteurs sp cifiques la surface de la cellule h te et dirige le trafic de la sous-unit A vers le cytosol par diverses voies (Figure 23 6). Le phage Vibrio cholerae, par exemple, code pour les deux sous-unit s de la toxine chol rique (film 23.2). La sous-unit A catalyse le transfert d'une fraction ADP-ribose du NAD+ la prot ine G trim rique G (voir Figure 15-23), qui active l'ad nylyl cyclase pour produire l'AMP cyclique (voir Figure 15-25). L'ADP-ribosylation emp che l'inactivation de la prot ine G et entra ne la suraccumulation de l'AMP cyclique intracellulaire et la lib ration d'ions et d'eau dans la lumi re intestinale, entra nant la diarrh e aqueuse associ e au chol ra. L'infection se propage ensuite de nouveaux h tes par l'interm diaire de bact ries lib r es, qui peuvent contaminer les aliments et l'eau. Certaines bact ries pathog nes s cr tent plusieurs toxines, chacune d'entre elles ciblant une voie de signalisation diff rente dans les cellules h tes. L'anthrax, par exemple, est une maladie infectieuse aigu des moutons, des bovins et parfois des humains. Elle est caus e par le contact avec des spores de la bact rie Gram positif Bacillus anthracis. Les spores dormantes peuvent survivre dans le sol pendant de longues p riodes. Si elles sont inhal es, ing r es ou frott es dans des fissures de la peau, les spores peuvent germer et les bact ries se r pliquer. Les bact ries s cr tent deux toxines avec des sous-unit s B identiques mais des sous-unit s A diff rentes. Les sous-unit s B se lient une prot ine r ceptrice de surface de la cellule h te pour transf rer les deux sous-unit s A diff rentes dans Figure 23 6 Entr e d'une toxine bact rienne dans les cellules h tes. Les toxines bact riennes sont souvent compos es de sous-unit s prot iques A et B. La sous-unit B (de liaison) de la toxine interagit avec les r cepteurs de la toxine de la cellule h te, permettant l'endocytose et le trafic intracellulaire de la sous-unit B ainsi que de sa ou ses sous-unit s A associ es et enzymatiquement actives. Dans le cas de Bacillus anthracis, la sous-unit B change de conformation dans l'environnement faible pH de l'endosome pour former un pore travers lequel deux sous-unit s A diff rentes, le facteur l tal et le facteur d' d me, sont transport es travers la membrane de l'endosome dans une conformation d pli e. Dans le cas de la toxine Vibrio cholerae et de la toxine Bordetella pertussis, les sous-unit s B et A sont transport es vers l'appareil de Golgi, puis vers le r ticulum endoplasmique (RE), o les sous-unit s A sont ensuite transloqu es dans le cytosol dans une conformation d pli e par un canal de translocation prot ique. cellules h tes (voir la figure 23-6). Les sous-unit s A sont appel es facteur l tal et facteur d' d me. La sous-unit A de la toxine d me est une ad nylyl cyclase qui catalyse la production d'AMP cyclique (voir Fi
Biologie moléculaire de la cellule	gure 15-25), entra nant un d s quilibre ionique pouvant provoquer une accumulation de liquide extracellulaire ( d me) dans la peau ou les poumons. La sous-unit A de la toxine l tale est une prot ase qui clive plusieurs membres activ s de la famille des prot ines kinases kinases activ es par les mitog nes (MAP kinase kinase) (voir Figure 15-49), perturbant la signalisation intracellulaire et entra nant un dysfonctionnement des cellules immunitaires et la mort cellulaire. L'injection d'une toxine l tale dans la circulation sanguine d'un animal provoque un choc (une chute importante de la pression art rielle) et la mort. Outre les toxines, les bact ries utilisent des syst mes de s cr tion sp cialis s pour s cr ter de nombreuses autres prot ines effectrices qui interagissent avec les cellules h tes. Les bact ries Gram n gatif ont un syst me de s cr tion g n ral et plusieurs classes de syst mes de s cr tion accessoires (types I VI). Un sous-ensemble de ces syst mes de s cr tion accessoires, appel s syst mes de s cr tion d pendants du contact, est pr sent dans de nombreuses bact ries qui entrent en contact ou vivent l'int rieur des cellules h tes. Le syst me de s cr tion de type III (Figure 23-7), par exemple, injecte dans le cytoplasme de la cellule h te des prot ines effectrices qui peuvent provoquer une vari t de r ponses de la cellule h te qui permettent la bact rie d'envahir ou de survivre. Il existe un degr remarquable de similitude structurelle entre la seringue de type III et la base d'un flagelle bact rien. tant donn que les flagelles se trouvent dans un plus large ventail de bact ries que les syst mes de s cr tion de type III, et que les syst mes de s cr tion semblent tre des adaptations sp cifiques de la pathogen se, il semble probable que les syst mes de s cr tion de type III aient volu partir de flagelles. D'autres types de syst mes d'administration utilis s par les bact ries pathog nes semblent avoir volu ind pendamment. Par exemple, les syst mes de s cr tion de type IV sont troitement li s l'appareil de conjugaison que de nombreuses bact ries utilisent pour changer du mat riel g n tique. Les champignons pathog nes et les parasites protozoaires sont des eucaryotes, tout comme leurs h tes. Par cons quent, les m dicaments antifongiques et antiparasitaires sont souvent moins efficaces et plus toxiques pour l'h te que les antibiotiques qui ciblent les bact ries. Une deuxi me caract ristique des infections fongiques et parasitaires qui les rend difficiles traiter est la tendance des agents pathog nes passer d'une forme l'autre au cours de leur cycle de vie. Un m dicament qui est efficace pour tuer une forme peut tre inefficace pour tuer une autre forme ; Par cons quent, la population peut survivre au traitement. Les champignons comprennent la fois des levures unicellulaires (telles que Saccharomyces cerevisiae et Schizosaccharomyces pombe, qui sont utilis es pour cuire le pain et brasser la bi re, et comme organismes mod les pour la recherche en biologie cellulaire) et des moisissures filamenteuses et multicellulaires (comme celles que l'on trouve sur les fruits moisis ou le pain). La plupart des champignons pathog nes importants pr sentent un dimorphisme, c'est- -dire la capacit de se d velopper sous forme de levure ou de moisissure. La transition levure-moisissure ou moisissure-levure est fr quemment associ e l'infection. Figure 23 7 Syst mes de s cr tion de type III capables de d livrer des prot ines effectrices dans le cytosol d'une cellule h te. (A) Micrographie lectronique de syst mes de s cr tion purifi s de type III, chacun compos de plus de deux douzaines de prot ines. (B) Le grand anneau inf rieur est encastr dans la membrane interne bact rienne, et le plus petit anneau sup rieur est encastr dans la membrane externe bact rienne. Au cours de l'infection, l'amarrage de l'extr mit de l'aiguille creuse au niveau de la membrane plasmique d'une cellule h te entra ne la s cr tion de prot ines translocatrices bact riennes (vertes), qui forment un pore dans la membrane h te, travers lequel les prot ines effectrices bact riennes sont ensuite s cr t es dans la cellule h te. (A, d'apr s O. Schraidt et al., PLoS Pathog. 6(4) :e1000824, 2010.) dans l'environnement de l'h te Histoplasma capsulatum, par exemple, se d veloppe sous forme de moisissure basse temp rature dans le sol, mais il passe une forme de levure lorsqu'il est inhal dans les poumons, o il peut provoquer l'histoplasmose (Figure 23-8). Les parasites protozoaires sont des eucaryotes unicellulaires avec des cycles de vie plus labor s que les champignons, et ils ont souvent besoin de plus d'un h te. Le paludisme est la maladie protozoaires la plus d vastatrice, infectant plus de 200 millions de personnes chaque ann e et tuant plus de 500 000 personnes. Elle est caus e par quatre esp ces de Plasmodium, qui sont transmises l'homme par la piq re du moustique femelle Anopheles. lib ration d'
Biologie moléculaire de la cellule	une infection des globules rouges, invasion de l'intestin et croissance Figure 23 8 Dimorphisme chez le champignon pathog ne Histoplasma capsulatum. (A) basse temp rature dans le sol, H. capsulatum se d veloppe comme un moule filamenteux multicellulaire compos de nombreuses cellules individuelles reli es entre elles. (B) Apr s avoir t inhal dans les poumons d'un mammif re, l'augmentation de la temp rature provoque un passage une forme de levure compos e de petits amas de cellules rondes. (C) Une coupe histologique color e d'un poumon de souris infect par H. capsulatum, montrant un macrophage contenant des formes de levure de l'agent pathog ne. (A et B, avec l'aimable autorisation de Sinem Beyhan et Anita Sil ; C, avec l'aimable autorisation de Davina Hocking Murray et Anita Sil.) Figure 23 9 Le cycle de vie complexe des parasites du paludisme. (A) Le cycle sexuel de Plasmodium falciparum n cessite le passage entre un h te humain et un h te insecte (vid o 23.3). (B) (D) Frottis sanguins de personnes atteintes de paludisme, montrant trois formes diff rentes du parasite qui apparaissent dans les globules rouges : (B) stade de l'anneau ; (C) schizonte ; et (D) gam tocyte. (B D, avec l'aimable autorisation des Centers for Disease Control, Division des maladies parasitaires, DPDx.) Plasmodium falciparum est l'origine de la forme la plus grave de paludisme et est le parasite responsable du paludisme qui a fait l'objet d'une tude plus approfondie. Il existe sous de nombreuses formes distinctes et il a besoin de l'homme et des moustiques pour compl ter son cycle sexuel (figure 23-9). Plusieurs de ces formes sont hautement sp cialis es pour envahir et se r pliquer dans des tissus sp cifiques : la muqueuse de l'intestin de l'insecte, le foie humain et le globule rouge humain. M me au sein d'un seul type de cellule h te, le globule rouge, le parasite Plasmodium, subit une s quence complexe d' v nements de d veloppement, qui se traduit par des changements morphologiques frappants (Figure 23-9B-D). Tous les aspects de la propagation virale d pendent de la machinerie de la cellule h te Les bact ries, les champignons et les protozoaires pathog nes sont eux-m mes des cellules vivantes. Ils utilisent leur propre machinerie pour la r plication, la transcription et la traduction de l'ADN et, pour la plupart, ils fournissent leurs propres sources d' nergie m tabolique. Les virus, en revanche, sont les auto-stoppeurs ultimes, ne transportant gu re plus que des informations sous forme d'acide nucl ique. La plupart des virus humains cliniquement importants ont de petits g nomes constitu s d'ADN double brin ou d'ARN simple brin (tableau 23-1), et nous avons maintenant des s quences g nomiques compl tes de presque tous ces virus. Les g nomes viraux codent g n ralement pour trois types de prot ines : les prot ines permettant de r pliquer le g nome, les prot ines permettant d'emballer le g nome et de le transmettre d'autres cellules h tes, et les prot ines permettant de modifier la structure ou la fonction de la cellule h te afin d'am liorer la r plication du virus (voir Figure 7-62). En g n ral, la r plication virale implique (1) l'entr e dans la cellule h te, (2) le d sassemblage de la particule virale infectieuse, (3) la r plication du g nome viral, (4) la transcription des g nes viraux et la synth se des prot ines virales, (5) l'assemblage de ces composants viraux en particules virales de descendance, Figure 23 10 : un cycle de vie viral simple. Le virus simple hypoth tique montr ici se compose d'une petite mol cule d'ADN double brin qui ne code pour qu'une seule prot ine de capside virale. Pour se reproduire, le g nome viral doit d'abord p n trer dans une cellule h te, o il est r pliqu pour produire plusieurs copies, qui sont transcrites et traduites pour produire la prot ine d'enveloppe virale. Les g nomes viraux peuvent ensuite s'assembler spontan ment avec la prot ine d'enveloppe pour former une nouvelle particule virale, qui s' chappe de la cellule h te. Aucun virus connu n'est aussi simple. et (6) lib ration des virions de la descendance (figures 23 10). Une seule particule virale (un virion) qui infecte une seule cellule h te peut produire des milliers de descendance. Les virions se pr sentent sous une grande vari t de formes et de tailles (figures 23-11), et bien que la plupart aient des g nomes relativement petits, la taille du g nome peut varier consid rablement. Les virus g ants d'amibes r cemment d couverts, appel s pandoravirus, sont les plus grands virus connus, avec des particules de 700 nm et des g nomes d'ADN double brin de plus de 2 000 000 de paires de nucl otides. Les virions des poxvirus sont galement grands : ils mesurent de 250 350 nm de long et renferment un g nome d'ADN double brin d'environ 270 000 paires de nucl otides. l'autre extr mit de l' chelle de taille se trouvent les virions du parvovirus, qui ont un diam tre inf rieur 30 nm et un g nome d'ADN simple brin de
Biologie moléculaire de la cellule	moins de 5000 nucl otides. Les g nomes viraux sont emball s dans une enveloppe prot ique, appel e capside, qui, chez certains virus, est en outre enferm e dans une membrane bicouche lipidique, ou enveloppe. La capside est constitu e d'une ou de plusieurs prot ines, dispos es en r seaux r guliers qui produisent g n ralement des structures avec soit une sym trie h lico dale, ce qui se traduit par une structure cylindrique (par exemple, la grippe, la rougeole et le bunyavirus), soit une sym trie icosa drique (par exemple, poliovirus et herp svirus ; voir Figure 23 11). Certains virus produisent plut t des capsides avec des structures plus compliqu es (par exemple, les poxvirus). Lorsque la capside est emball e avec le g nome viral, la structure est appel e nucl ocapside. Les nucl ocapsides des virus non envelopp s quittent g n ralement une cellule infect e en la lysant. Pour les virus envelopp s, en revanche, la nucl ocapside est enferm e dans une membrane bicouche lipidique que le virus acquiert en bourgeonnant partir de la membrane plasmique de la cellule h te, ce qu'il fait sans perturber la membrane ni tuer la cellule (Figure 23-12). Les virus envelopp s peuvent provoquer des infections persistantes qui peuvent durer des ann es, souvent sans effets d l t res notables sur l'h te. tant donn que la cellule h te effectue la plupart des tapes critiques de la r plication virale, il peut tre difficile d'identifier des m dicaments antiviraux efficaces qui ne nuisent pas l'h te. La strat gie la plus efficace pour contenir les maladies virales est probablement la vaccination des h tes potentiels. Des programmes de vaccination tr s efficaces ont efficacement poliovirus VIH Figure 23 11 exemples de morphologie du virus de l'infection virale du coronavirus de la rage, du virus des oreillons (virus du sida) du virus (rhume). Comme indiqu , la fois l'ADN et la forme. a limin l'infection variolique de la plan te et l' radication de la poliomy lite est presque achev e (figures 23 13). Les maladies infectieuses sont caus es par des agents pathog nes, qui comprennent des virus, des bact ries et des champignons, ainsi que des parasites protozoaires et m tazoaires. Tous les agents pathog nes doivent avoir des m canismes pour p n trer dans leur h te et pour chapper la destruction imm diate par l'h te. La grande majorit des bact ries ne sont pas pathog nes pour l'homme. Ceux qui sont pathog nes produisent des facteurs de virulence sp cifiques qui interviennent dans les interactions de la bact rie avec l'h te. Ces prot ines modifient le comportement des cellules h tes de mani re favoriser la r plication et la propagation des bact ries. Les agents pathog nes eucaryotes tels que les champignons et les parasites protozoaires passent g n ralement par plusieurs formes diff rentes au cours de l'infection ; La capacit de passer d'une forme l'autre est g n ralement n cessaire pour que ces agents pathog nes survivent dans un h te et provoquent une maladie. Dans certains cas, comme le paludisme, les parasites doivent passer s quentiellement travers plusieurs esp ces h tes pour compl ter leur cycle de vie. Contrairement aux bact ries et aux parasites eucaryotes, les virus n'ont pas de m tabolisme propre et n'ont pas de capacit intrins que produire les prot ines cod es par leur g nome d'ADN ou d'ARN ; Ils reposent sur la subversion de la machinerie de la cellule h te. cas signal s de poliomy lite pour 100 000 habitants Figure 23 12 : Acquisition d'une enveloppe virale. (A) Micrographie lectronique d'une cellule animale partir de laquelle six copies d'un virus envelopp (virus de la for t de Semliki) bourgeonnent. (B) Dessin sch matique de l'assemblage de l'enveloppe et des processus de bourgeonnement. La bicouche lipidique qui entoure la capside virale est d riv e directement de la membrane plasmique de la cellule h te. En revanche, les prot ines de cette bicouche lipidique (en vert) sont cod es par le g nome viral. (A, avec l'aimable autorisation de M. Olsen et G. Griffith.) Figure 23 13 Contr le efficace d'une maladie virale par la vaccination. Le graphique montre le nombre de cas de poliomy lite signal s par an aux tats-Unis. Les fl ches indiquent le moment de l'introduction du vaccin Salk (virus inactiv administr par injection) et du vaccin Sabin (virus vivant att nu administr par voie orale). Les m canismes par lesquels les agents pathog nes causent des maladies sont aussi divers que les agents pathog nes eux-m mes. N anmoins, tous les agents pathog nes doivent effectuer certaines t ches communes : ils doivent acc der l'h te, atteindre une niche appropri e, viter les d fenses de l'h te, se r pliquer et sortir de l'h te infect pour se propager un h te non infect . Dans cette section, nous examinons les strat gies courantes utilis es par de nombreux agents pathog nes pour accomplir ces t ches. Les agents pathog nes surmontent les barri res pith liales pour infecter l'h te La premi re ta
Biologie moléculaire de la cellule	pe de l'infection consiste pour l'agent pathog ne acc der l'h te. Une paisse couche de peau prot ge la plupart des parties du corps humain de l'environnement. Les limites protectrices de certains autres tissus humains (yeux, voies nasales, voies respiratoires, bouche, tube digestif, voies urinaires et appareil g nital f minin) sont moins robustes. Dans les poumons et l'intestin gr le, par exemple, la barri re n'est qu'une seule couche monocouche de cellules pith liales. N anmoins, tous ces pith liums servent de barri res l'infection. Les plaies de l' pith lium barri re permettent aux agents pathog nes d'acc der directement aux niches inoccup es dans des tissus h tes autrement st riles. Cette voie d'entr e n cessite peu de sp cialisation des agents pathog nes, et de nombreux membres de la flore normale peuvent causer des maladies graves s'ils p n trent par de telles blessures. Les staphylocoques de la peau et du nez, ou les streptocoques de la gorge et de la bouche, sont deux exemples d'agents pathog nes bact riens opportunistes responsables de nombreuses infections graves r sultant de br ches dans les barri res pith liales. L' mergence r cente de souches bact riennes de staphylocoques r sistantes aux antibiotiques couramment utilis s pour le traitement (par exemple, le Staphylococcus aureus r sistant la m thicilline, ou SARM, qui infecte jusqu' 50 000 000 de personnes dans le monde) est particuli rement pr occupante. Papillomavirus, qui causent les verrues et les cancer, profitent galement des br ches dans les barri res pith liales. Les agents pathog nes primaires, cependant, n'ont pas besoin d'attendre une blessure pour acc der leur h te. Un moyen efficace pour un tel agent pathog ne de traverser la peau est de se faire balader dans la salive d'un arthropode piqueur. Un groupe diversifi de bact ries, de virus et de protozoaires a d velopp la capacit de survivre chez les insectes, puis de les utiliser comme vecteurs pour se propager d'un h te mammif re un autre. Comme nous l'avons vu pr c demment, le protozoaire Plasmodium qui cause le paludisme se d veloppe sous plusieurs formes au cours de son cycle de vie, dont certaines sont sp cialis es dans la survie chez l'homme et d'autres sont sp cialis es dans la survie chez le moustique (voir Figure 23 9). Les virus qui se propagent par les piq res d'insectes provoquent la fi vre jaune et la dengue, ainsi que de nombreux types d'enc phalite virale (inflammation du cerveau). Ces virus se r pliquent la fois dans les cellules d'insectes et dans les cellules de mammif res, comme l'exige leur transmission par un insecte vecteur. La propagation efficace d'un agent pathog ne par l'interm diaire d'un insecte vecteur n cessite qu'un insecte consomme un repas de sang d'un h te infect et transf re l'agent pathog ne un h te na f. Dans quelques cas frappants, l'agent pathog ne modifie le comportement de l'insecte, de sorte que sa transmission un nouvel h te est plus probable. Un exemple est la bact rie Yersinia pestis, qui provoque la peste bubonique. Il se multiplie dans l'intestin ant rieur de la puce pour former des masses agr g es qui bloquent physiquement le tube digestif ; lors de chaque tentative r p t e, mais futile, de se nourrir, certaines des bact ries de l'intestin ant rieur sont vacu es dans le site de la morsure, transmettant ainsi la peste un nouvel h te (Figure 23-14). Alors que de nombreuses barri res pith liales telles que la peau et la muqueuse de la bouche et du gros intestin sont dens ment peupl es de flore normale, d'autres, y compris la muqueuse du poumon inf rieur et de la vessie, sont normalement maintenues presque st riles. Comment ces pith liums vitent-ils la colonisation bact rienne ? Une couche de mucus protecteur recouvre l' pith lium respiratoire, et le battement coordonn des cils balaie le mucus et les bact ries pi g es vers le haut et hors des poumons. La muqueuse pith liale de la vessie et du tractus gastro-intestinal sup rieur est galement recouverte d'une paisse couche de mucus. Figure 23 14 Bact rie de la peste dans une puce. Cette micrographie optique montre le tube digestif diss qu d'une puce qui avait d n environ deux semaines auparavant sur le sang d'un animal infect par la bact rie de la peste, Yersinia pestis. Les bact ries se sont multipli es dans l'intestin des puces pour produire de grands agr gats coh sifs (fl ches rouges) ; La masse bact rienne gauche obstrue le passage entre l' sophage et l'intestin moyen. Ce type de blocage emp che une puce de dig rer ses repas de sang, de sorte que la faim l'am ne mordre plusieurs reprises, diss minant l'infection. (De B.J. Hinnebusch, E.R. Fischer et T.G. Schwan, J. Infect. Dis. 178:1406 1415, 1998.) Ces organes sont p riodiquement rinc s par la miction et par le p ristaltisme, respectivement, ce qui limine la plupart des microbes. Les bact ries pathog nes et les parasites eucaryotes qui infectent ces surfaces pith liales ont d velopp
Biologie moléculaire de la cellule	des m canismes sp cifiques pour surmonter ces m canismes de protection. Ceux qui infectent les voies urinaires, par exemple, adh rent troitement la muqueuse pith liale via des adh sines sp cifiques, qui sont des prot ines ou des complexes prot iques qui reconnaissent et se lient aux mol cules de surface cellulaire sur l' pith lium. Un groupe important d'adh sines dans les souches d'E. coli qui infectent les reins sont des composants des pili des projections de surface qui peuvent mesurer plusieurs microm tres de long et donc couvrir l' paisseur de la couche de mucus protectrice ; l'extr mit de chaque pilus se trouve une prot ine d'adh sine qui se lie troitement au disaccharide D-galactose-D-galactose sur les glycolipides la surface des cellules r nales (Figure 23-15). Les souches d'E. coli qui infectent la vessie plut t que le rein expriment un deuxi me type de pilus avec une prot ine d'adh sine diff rente qui se lie aux cellules pith liales de la vessie. C'est la sp cificit des prot ines d'adh sine l'extr mit des deux types de pili qui est responsable de la colonisation par les bact ries des diff rentes parties des voies urinaires. L'estomac est un environnement particuli rement hostile aux agents pathog nes. Outre l' paisse couche de mucus et le lavage p ristaltique, il est rempli d'acide (pH moyen 2), qui est mortel pour presque toutes les bact ries ing r es dans les aliments. Pourtant, elle abrite un microbiote de centaines d'esp ces r sidentes, dont la bact rie H. pylori, Ce qui, comme nous l'avons vu pr c demment, est la principale cause d'ulc res d'estomac et de certains cancers de l'estomac. L'hypoth se selon laquelle une infection bact rienne persistante pourrait provoquer des ulc res d'estomac a d'abord t accueillie avec scepticisme. Le jeune m decin australien qui a fait la premi re d couverte a finalement prouv ce point : il a bu une culture pure de H. pylori et a d velopp une inflammation de l'estomac, qui pr c de souvent le d veloppement des ulc res. Une courte cure d'antibiotiques peut maintenant gu rir efficacement un patient d'ulc res d'estomac r currents. Remarquablement, H. pylori est capable de persister toute sa vie en tant que commensal, chez la plupart des humains. L'une des fa ons dont il survit dans l'estomac est de produire l'enzyme ur ase, qui convertit l'ur e en ammoniac qui neutralise l'acide dans son voisinage imm diat. La bact rie utilise galement son flagelle pour la motilit chimiotactique, ce qui lui permet de rechercher le pH plus neutre pr s de la surface des cellules pith liales gastriques. Les prot ines de virulence de H. pylori qui ciblent la fois les cellules pith liales et immunitaires aident H. pylori persister dans l'estomac, mais elles peuvent galement induire une inflammation chronique, une alt ration de l'expression des g nes de l'h te, des changements dans la prolif ration cellulaire et l'apoptose, et une perturbation des jonctions cellule-cellule, qui sont tous des facteurs pr disposant au cancer de l'estomac. Les agents pathog nes extracellulaires peuvent causer des maladies graves sans p n trer dans les cellules h tes. Bordetella pertussis, la bact rie qui cause la coqueluche, par exemple, colonise l' pith lium respiratoire et contourne le m canisme normal qui Figure 23 15 E. coli pathog ne dans la vessie infect e d'une souris. (A) Micrographie lectronique balayage d'E. coli uropathog ne, une cause fr quente d'infections de la vessie et des reins. Les bact ries sont attach es la surface des cellules pith liales qui tapissent la vessie infect e. (B) Une vue rapproch e de l'une des bact ries montrant les pili sa surface. (C) Un pilus d'E. coli a des prot ines adaptatrices son extr mit qui se lient aux glycolipides la surface des cellules r nales. (A, d'apr s G.E. Soto et S.J. Hultgren, J. Bacteriol. 181:1059-1071, 1999. Avec l'autorisation de l'American Society for Microbiology ; B, avec l'aimable autorisation de D.G. Thanassi et S.J. Hultgren, Methods 20:111 126, 2000. Avec la permission d'Academic Press.) (A) P P P Tir inject Tir ins re et replie dans la membrane plasmique CELLULE H TE SYST ME DE S CR TION DE TYPE III ent ropathog ne E. coli membrane externe membrane interne intimin intimin intimin actine flaments pi destal phosphoryl Tir prot ines h tes qui favorisent la polym risation de l'actine d gage les voies respiratoires en exprimant des adh sines qui lient les cellules pith liales cili es. Les bact ries adh rentes produisent des toxines qui finissent par tuer les cellules cili es, compromettant ainsi la capacit de l'h te liminer l'infection. Le plus connu d'entre eux est la toxine coqueluche, qui, comme la toxine chol rique mentionn e ci-dessus, a une sous-unit A qui ADP-ribosylate la sous-unit de la prot ine G Gi, emp chant la prot ine G de supprimer l'activit de l'ad nylyl cyclase de la cellule h te, augmentant ainsi la production d'AMP cyclique (voir Figure 23-6). Cette toxine interf r
Biologie moléculaire de la cellule	e galement avec la voie chimiotactique utilis e par les neutrophiles pour rechercher et d truire les bact ries envahissantes (voir figures 16-3 et 16-86). La colonisation des voies respiratoires par B. pertussis provoque une toux s v re, ce qui contribue la propagation de l'infection. Tous les agents pathog nes extracellulaires qui colonisent un pith lium n'exercent pas leur effet par le biais de toxines. E. coli ent ropathog ne (EPEC), qui cause la diarrh e chez les jeunes enfants, utilise un syst me de s cr tion de type III (voir la figure 23 7) pour d livrer sa propre prot ine r ceptrice sp ciale (appel e Tir) dans la membrane plasmique d'une cellule pith liale intestinale de l'h te (figure 23 16). Le domaine extracellulaire de Tir se lie l'intimine de prot ine de surface bact rienne, d clenchant la polym risation de l'actine dans la cellule h te qui entra ne la formation d'une protrusion unique de la surface cellulaire appel e pi destal ; Cela pousse les bact ries troitement adh rentes environ 10 m de la membrane de la cellule h te, favorisant ainsi le mouvement bact rien le long de la surface cellulaire. Une strat gie similaire est utilis e par le virus de la vaccine (le virus qui a t utilis comme vaccin pour radiquer la variole) pour former des socles mobiles, qui favorisent la propagation du virus d'une cellule l'autre. L' tude de la fa on dont l'EPEC et le virus de la vaccine favorisent la polym risation de l'actine a t d'une importance majeure pour comprendre comment les voies de signalisation intracellulaires r gulent le cytosquelette dans les cellules normales non infect es (voir le chapitre 16). Bien que la formation d'un pi destal favorise la propagation de ces agents pathog nes, les sympt mes de l'infection EPEC (diarrh e s v re) sont caus s par la perte de microvillosit s absorbantes et la perturbation des voies de signalisation dans les cellules pith liales, qui sont d clench es par Tir et d'autres prot ines effectrices. De nombreux agents pathog nes doivent p n trer dans les cellules h tes pour provoquer des maladies. Ces agents pathog nes intracellulaires comprennent tous les virus et de nombreuses bact ries et protozoaires. Chacun d'entre eux a une niche pr f r e pour la r plication et la survie dans les cellules h tes. Les bact ries et les protozoaires se r pliquent soit dans le cytosol, soit dans un compartiment entour d'une membrane. Alors que la plupart des virus ARN se r pliquent dans le cytosol, la plupart des virus ADN se r pliquent dans le noyau. La vie l'int rieur d'une cellule h te pr sente plusieurs avantages. Les agents pathog nes ne sont pas accessibles aux anticorps et ne sont pas non plus des cibles faciles pour les cellules phagocytaires (voir le chapitre 24) ; De plus, les bact ries et les protozoaires intracellulaires baignent dans une riche source de nutriments, et les virus ont acc s la biosynth se de la cellule h te Figure 23 16 Interaction d'E. coli ent ropathog ne (ePeC) avec les cellules pith liales intestinales de l'h te. (A) Lorsque l'EPEC entre en contact avec une cellule pith liale de la muqueuse de l'intestin humain, il d livre une prot ine bact rienne appel e Tir dans la cellule h te par le biais d'un syst me de s cr tion de type III. Tir s'ins re ensuite dans la membrane plasmique de la cellule h te, o il fonctionne comme un r cepteur pour la prot ine d'adh sine bact rienne intimine. Ensuite, une prot ine tyrosine kinase de la cellule h te phosphoryle le domaine intracellulaire de Tir sur les tyrosines. Le Tir phosphoryl recrute des prot ines de la cellule h te (y compris une prot ine adaptatrice, une prot ine WASp et le complexe Arp 2/3) qui d clenchent la polym risation de l'actine (voir Figure 16-16). Par cons quent, un r seau ramifi de filaments d'actine s'assemble sous la bact rie, formant un pi destal d'actine (Vid o 23.4). (B) EPEC sur pi destal. Dans cette micrographie fluorescence, l'ADN de l'EPEC et de la cellule h te est marqu en bleu, la prot ine Tir est marqu e en vert et les filaments d'actine de la cellule h te sont marqu s en rouge. L'encart montre une vue rapproch e des deux bact ries sup rieures sur des socles. (B, de D. Goosney et al., Annu. Rev. Cell Dev. Biol. 16:173-189, 2000. Avec la permission des Annual Reviews.) machines pour leur reproduction. Ce mode de vie, cependant, exige que l'agent pathog ne dispose de m canismes pour p n trer dans les cellules h tes, pour trouver une niche subcellulaire appropri e o il peut se r pliquer et pour sortir de la cellule infect e pour propager l'infection. Nous examinons ci-dessous quelques-unes des myriades de fa ons dont les agents pathog nes intracellulaires individuels exploitent et modifient la biologie des cellules h tes pour satisfaire ces exigences. Les virus se lient aux r cepteurs viraux la surface de la cellule h te La premi re tape de tout agent pathog ne intracellulaire consiste se lier la surface de la cellule cible h te. Les vir
Biologie moléculaire de la cellule	us accomplissent cela en liant les prot ines de surface virales aux r cepteurs viraux affich s sur la cellule h te. Le premier r cepteur viral identifi tait un Prot ine de surface d'E. coli reconnue par le bact riophage lambda ; La prot ine fonctionne normalement pour transporter le maltose de sucre de l'ext rieur de la bact rie vers l'int rieur o il est utilis comme source d' nergie. Cependant, les r cepteurs n'ont pas besoin d' tre des prot ines : une prot ine d'enveloppe du virus de l'herp s simplex, par exemple, se lie aux prot oglycanes de sulfate d'h parane (discut s au chapitre 19) la surface de certaines cellules h tes de vert br s, et le virus simien 40 (SV40) se lie un glycolipide. La sp cificit des interactions virus-r cepteurs sert souvent de barri re emp chant la propagation d'un virus d'une esp ce une autre. L'acquisition de la capacit de se lier un nouveau r cepteur n cessite souvent de multiples changements dans un virus, mais cela peut tre crucial pour permettre la transmission inter-esp ces qui peut entra ner de nouvelles pid mies. Les virus qui infectent les cellules animales exploitent g n ralement des mol cules r ceptrices de surface cellulaire qui sont soit omnipr sentes (comme les oligosaccharides contenant de l'acide sialique utilis s par le virus de la grippe), soit pr sentes uniquement sur les types de cellules dans lesquelles le virus se r plique (comme les prot ines sp cifiques aux neurones utilis es par le virus de la rage). Bien qu'un virus utilise g n ralement un seul type de r cepteur de la cellule h te, certains virus en utilisent plus d'un type. Un exemple important est le VIH-1, qui n cessite deux types de r cepteurs pour p n trer dans une cellule h te. Son r cepteur primaire est CD4, une prot ine de surface cellulaire sur les lymphocytes T auxiliaires et les macrophages qui est impliqu e dans la reconnaissance immunitaire (discut e au chapitre 24). Il n cessite galement un cor cepteur, qui est soit CCR5 (un r cepteur pour les -chimiokines), soit CXCR4 (un r cepteur pour les -chimiokines), selon la variante particuli re du virus ; Les macrophages ne sont sensibles qu'aux variants du VIH qui utilisent le CCR5 pour l'entr e, tandis que les lymphocytes T auxiliaires sont plus efficacement infect s par les variants qui utilisent le CXCR4 (Figure 23-17). Les virus d tect s dans les premiers mois suivant l'infection par le VIH utilisent presque invariablement le CCR5, ce qui explique pourquoi les personnes porteuses d'un g ne CCR5 d fectueux sont moins susceptibles d' tre infect es par le VIH. Dans les derniers stades de l'infection, les virus passent souvent l'utilisation de CXCR4 ou s'adaptent l'utilisation des deux cor cepteurs par l'accumulation de mutations. De cette fa on, le virus peut changer les types de cellules qu'il infecte au fur et mesure que la maladie progresse. Il peut sembler paradoxal que des virus infectent des cellules immunitaires, car on pourrait s'attendre ce que la liaison virale d clenche une r ponse immunitaire ; Mais l'invasion d'une cellule immunitaire peut tre un moyen utile pour un virus d'affaiblir la r ponse immunitaire et de se d placer dans le corps pour infecter d'autres cellules immunitaires. -chimiokine -chimiokine (Sdf1) (Rantes, Mip1 ou Mip1 ) Figure 23 17 R cepteur et cor cepteurs du VIH. Toutes les souches du VIH ont besoin de la prot ine CD4 comme r cepteur primaire. Au d but d'une infection, la plupart des virus utilisent le CCR5 comme cor cepteur, ce qui leur permet d'infecter les macrophages et leurs pr curseurs, les monocytes. Au fur et mesure que l'infection progresse, des variants mutants apparaissent qui utilisent d sormais CXCR4 comme cor cepteur, ce qui leur permet d'infecter efficacement les lymphocytes T auxiliaires. Le ligand naturel des r cepteurs des chimiokines (Sdf1 pour CXCR4 ; Rantes, Mip1 ou Mip1 pour CCR5) bloque la fonction des cor cepteurs et emp che l'invasion virale. Les virus p n trent dans les cellules h tes par fusion membranaire, formation de pores ou perturbation membranaire Apr s avoir t reconnu et attach la surface de la cellule h te, le virus doit p n trer dans la cellule pour se r pliquer. Certains virus envelopp s p n trent dans la cellule h te en fusionnant leur membrane d'enveloppe avec la membrane plasmique. La plupart des virus, qu'ils soient envelopp s ou non, activent des voies de signalisation dans la cellule qui induisent l'endocytose, g n ralement via des fosses recouvertes de clathrine (voir Figure 13-7), conduisant l'internalisation dans les endosomes. Les grands virus qui ne s'ins rent pas dans les v sicules recouvertes de clathrine, tels que les poxvirus, p n trent souvent dans les cellules par macropinocytose, un processus par lequel les volants membranaires se replient et emprisonnent le liquide dans les macropinosomes (voir Figure 13-50). Une fois l'int rieur de l'endosome, la fusion de l'enveloppe virale se produit partir du c t lum
Biologie moléculaire de la cellule	nal de la membrane endosomique. Le m canisme de fusion membranaire m di par les glycoprot ines de spicule virales pr sente des similitudes avec la fusion membranaire m di e par SNARE lors d'un trafic v siculaire normal (discut au chapitre 13). Les virus envelopp s r gulent la fusion la fois pour s'assurer qu'ils ne fusionnent qu'avec la membrane appropri e de la cellule h te et pour emp cher la fusion les uns avec les autres. Pour les virus tels que le VIH-1 qui fusionnent un pH neutre avec la membrane plasmique (figures 23-18A), la liaison des r cepteurs ou des cor cepteurs d clenche g n ralement un changement de conformation dans une prot ine d'enveloppe virale qui expose un peptide de fusion normalement enfoui (voir figure 13-21). D'autres virus envelopp s, comme le virus de la grippe A, ne fusionnent avec la membrane d'une cellule h te qu'apr s l'endocytose (figures 23 18B) ; Dans ce cas, c'est souvent l'environnement acide de l'endosome tardif qui d clenche le changement de conformation d'une prot ine de surface virale qui expose le peptide de fusion. Le H+ (B) acidification, fusion, d senrobage fusion avec la membrane apr s endocytose Rupture de la membrane endosomale Formation de pores (C) (D) Endocytose endocytose Lyse pr coce de l'endosome D senrobage, formation de pores L'ADN p n tre dans le noyau Figure 23 18 Quatre strat gies d'entr e du virus. (A) Certains virus envelopp s, comme le VIH, fusionnent directement avec la membrane plasmique de la cellule h te pour lib rer leur g nome ARN (bleu) et leurs prot ines de capside (marron) dans le cytosol. (B) D'autres virus envelopp s, tels que le virus de la grippe, se lient d'abord aux r cepteurs de surface cellulaire, d clenchant l'endocytose m di e par les r cepteurs ; Lorsque l'endosome s'acidifie, l'enveloppe du virus fusionne avec la membrane endosomale, lib rant le g nome de l'ARN viral (en bleu) et les prot ines de capside (en marron) dans le cytosol. (C) Le poliovirus, un virus non envelopp , induit une endocytose m di e par les r cepteurs, puis forme un pore dans la membrane endosomale pour extruder son g nome d'ARN (en bleu) dans le cytosol. (D) L'ad novirus, un autre virus non envelopp , utilise une strat gie plus compliqu e : il induit une endocytose m di e par le r cepteur, puis perturbe la membrane endosomale, lib rant la capside et son g nome ADN dans le cytosol ; Le virus r duit finit par s'amarrer un pore et lib re son ADN (rouge) directement dans le noyau (Vid o 23.5). pomp dans l'endosome pr coce a galement un autre effet ; Il p n tre dans le virion de la grippe par un canal ionique dans l'enveloppe virale et d clenche des changements dans la capside virale. Ces tapes d'amor age permettent aux capsides de se d sassembler une fois lib r es dans le cytosol apr s la fusion du virus avec la membrane endosomale tardive. Les virus non envelopp s utilisent diff rentes strat gies pour p n trer dans les cellules h tes, strat gies qui ne reposent pas sur la fusion membranaire. Le poliovirus, qui cause la poliomy lite, se lie un r cepteur de surface cellulaire, d clenchant la fois une endocytose m di e par le r cepteur (voir la figure 13-52) et un changement de conformation de la particule virale. Le changement de conformation expose une projection hydrophobe sur l'une des prot ines de la capside, qui s'ins re dans la membrane endosomale pour former un pore. Le g nome de l'ARN viral p n tre ensuite dans le cytosol par le pore, laissant la capside dans l'endosome (Figure 23 18C). D'autres virus non envelopp s, tels que l'ad novirus, perturbent la membrane endosomale apr s avoir t absorb s par l'endocytose m di e par les r cepteurs. L'une des prot ines lib r es par la capside lyse la membrane endosomale, lib rant le reste du virus dans le cytosol. Au cours du trafic endosomal et du transport ult rieur dans le cytosol, les ad novirus subissent plusieurs tapes de d senrobage, qui liminent s quentiellement les prot ines structurelles et pr parent les particules virales lib rer leur ADN dans le noyau travers les complexes de pores nucl aires (Figure 23-18D). Les bact ries sont beaucoup plus grosses que les virus, trop grosses pour tre absorb es par les pores ou par l'endocytose m di e par les r cepteurs. Au lieu de cela, ils p n trent dans les cellules h tes par phagocytose, qui est une fonction normale des phagocytes tels que les neutrophiles, les macrophages et les cellules dendritiques (discut e au chapitre 24). Ces phagocytes patrouillent les tissus du corps et ing rent et d truisent les microbes ; cependant, certains pathog nes bact riens intracellulaires tels que M. tuberculosis l'utilisent leur avantage et ont volu pour survivre et se multiplier l'int rieur des macrophages. Certains agents pathog nes bact riens peuvent envahir des cellules h tes qui sont normalement non phagocytaires. L'une des fa ons d'y parvenir est d'exprimer une prot ine d'invasion qui se lie avec une grande affinit un r cept
Biologie moléculaire de la cellule	eur de la cellule h te, qui est souvent une prot ine d'adh sion cellule-cellule ou cellule-matrice (discut e au chapitre 19). Par exemple, Yersinia pseudotuberculosis (une bact rie qui cause la diarrh e et qui est un proche parent de la bact rie de la peste Y. pestis) exprime une prot ine appel e invasine qui a un motif RGD similaire celui de la fibronectine et qui est galement reconnu par les int grines 1 de la cellule h te (voir Figure 19-55). Listeria monocytogenes, qui cause une forme rare mais grave d'intoxication alimentaire, envahit les cellules h tes en exprimant une prot ine qui se lie la prot ine d'adh sion cellule-cellule E-cadh rine (voir Figure 19 6). Pour ces deux esp ces bact riennes, la liaison des prot ines d'invasion bact rienne aux prot ines d'adh sion de la cellule h te stimule la signalisation par l'interm diaire des membres de la famille Rho des petites GTPases (discut e au chapitre 16). Cela active son tour les prot ines de la famille WASp et du complexe Arp 2/3, conduisant la polym risation de l'actine au site de fixation bact rienne. La polym risation de l'actine, associ e l'assemblage d'une couche de clathrine (voir Figure 13-6), entra ne la progression de la membrane plasmique de la cellule h te sur la surface adh sive du microbe, ce qui entra ne la phagocytose de la bact rie, un processus connu sous le nom de m canisme d'invasion de la fermeture clair (Figure 23-19A). Une deuxi me voie par laquelle les bact ries peuvent envahir les cellules non phagocytaires est connue sous le nom de m canisme de d clenchement (Figure 23-19B). Il est utilis par divers agents pathog nes qui causent des intoxications alimentaires, y compris Salmonella enterica, et il est d clench lorsque la bact rie injecte un ensemble de mol cules effectrices dans le cytosol de la cellule h te par le biais d'un syst me de s cr tion de type III (voir Figure 23-7). Certaines de ces mol cules effectrices activent les prot ines de la famille Rho, qui leur tour stimulent la polym risation de l'actine, comme nous venons de le voir. D'autres prot ines effectrices bact riennes interagissent plus directement avec les l ments du cytosquelette de la cellule h te, nucl ant et stabilisant les filaments d'actine et provoquant le r arrangement des prot ines de r ticulation d'actine. L'effet global est de provoquer la formation de volants localis s la surface de la cellule h te (figures 23-19C et D), qui se replient et engloutissent la bact rie par un processus qui ressemble une macropinocytose. L'apparence des cellules envahies par l'utilisation du m canisme de d clenchement s cr tion des r cepteurs de l'invasine de type IIIL'appareil de l'invasine (int grines, cadh rines) est similaire l' bouriffement induit par certains facteurs de croissance extracellulaires, ce qui sugg re que les bact ries exploitent la voies de signalisation intracellulaires. L'absorption des virus et des bact ries dans les cellules h tes est effectu e en grande partie par l'h te, l'agent pathog ne tant un participant relativement passif. En revanche, les parasites eucaryotes intracellulaires, qui sont g n ralement beaucoup plus gros que les autres types d'agents pathog nes intracellulaires, envahissent les cellules h tes par une vari t de voies complexes qui n cessitent g n ralement une d pense nerg tique de la part du parasite. Toxoplasma gondii, un parasite du chat qui provoque galement occasionnellement des infections humaines graves, en est un exemple. Lorsque ce protozoaire entre en contact avec une cellule h te, il fait saillir une structure inhabituelle base de microtubules appel e cono de, qui facilite l'entr e dans la cellule h te (Figure 23 20). L' nergie de l'invasion semble provenir de la polym risation de l'actine dans le cytosquelette du parasite plut t que du cytosquelette de l'h te, et l'invasion n cessite galement au moins une prot ine motrice de myosine parasitaire inhabituelle (classe XIV ; voir Figure 16-40). Au point de contact, le parasite d charge des prot ines effectrices des organites s cr toires dans la cellule h te, et ces prot ines ciblent diverses voies de l'h te pour permettre l'invasion, bloquer une r ponse immunitaire inn e et favoriser la survie. Lorsque le parasite se d place dans la cellule h te, une membrane d riv e de la membrane plasmique de la cellule h te l'entoure. Remarquablement, le parasite limine les prot ines transmembranaires de l'h te de la membrane environnante au fur et mesure de sa formation, de sorte que le parasite est prot g dans un compartiment ferm par une membrane qui ne fusionne pas avec les lysosomes et ne participe pas aux processus de trafic de la membrane h te-cellule (voir Figure 23-20). La membrane sp cialis e est s lectivement poreuse : elle permet au parasite d'absorber les petits interm diaires m taboliques et les nutriments du cytosol de la cellule h te, mais exclut les macromol cules. Les parasites du paludisme envahissent les globules rouges huma
Biologie moléculaire de la cellule	ins en utilisant un m canisme similaire. Figure 23 19 M canismes utilis s par les bact ries pour induire la phagocytose par des cellules h tes normalement non phagocytaires. Dans le m canisme de fermeture clair, les bact ries expriment une prot ine d'invasion qui se lie avec une grande affinit un r cepteur de la cellule h te, qui est souvent une prot ine d'adh sion cellule-cellule ou cellule-matrice. (B) Dans le m canisme de d clenchement, les bact ries injectent un ensemble de mol cules effectrices dans le cytosol de la cellule h te par le biais d'un syst me de s cr tion de type III appel SPI1 (Salmonella pathogenicity island 1), induisant un froissement de la membrane. Les m canismes de fermeture clair et de d clenchement provoquent la polym risation de l'actine au site de fixation bact rienne en activant les petites GTPases de la famille Rho et le complexe Arp 2/3. (C) Une micrographie lectronique balayage montrant un stade tr s pr coce de l'invasion de Salmonella enterica par le m canisme de d clenchement. Les bact ries (pseudo-color es en jaune) sont entour es d'un petit volant de membrane. Micrographie fluorescence montrant que les gros volants qui engloutissent la bact rie Salmonella sont riches en actine. Les bact ries sont tiquet es en vert et les filaments d'actine en rouge ; En raison du chevauchement des couleurs, les bact ries apparaissent jaunes. (C, de Rocky Mountain Laboratories, NIAID, NIH ; D, partir de J.E. Gal n, Annu. Rev. Cell Dev. Biol. 17:53-86, 2001. Avec la permission des Annual Reviews.) Le protozoaire Trypanosoma cruzi, qui cause la maladie de Chagas, au Mexique et en Am rique centrale et du Sud, utilise deux strat gies d'invasion alternatives. Dans une voie d pendante des lysosomes, le parasite se fixe aux r cepteurs de surface de la cellule h te, induisant une augmentation locale de Ca2+ dans le cytosol de la cellule h te. Le signal Ca2+ recrute les lysosomes sur le site de fixation du parasite, et les lysosomes fusionnent avec la membrane plasmique de la cellule h te, permettant aux parasites d'acc der rapidement au compartiment lysosomal (Figure 23 21). Dans une voie ind pendante des lysosomes, le parasite p n tre la membrane plasmique de la cellule h te en induisant l'invagination de la membrane, sans recrutement de lysosomes. 1. L'ATTACHEMENT L'H TE 2. SIGNAL CA2+ 3. LA FUSION DE R CEPTEURS DE SURFACE CELLULAIRE DE LYSOSOMES RECRUTE DES LYSOSOMES AVEC UNE MEMBRANE PLASMIQUE Figure 23 20 Le cycle de vie du parasite intracellulaire Toxoplasma gondii. Apr s s' tre fix une cellule h te, T. gondii utilise son cono de pour injecter des prot ines effectrices qui facilitent l'invasion. Lorsque la membrane plasmique de la cellule h te s'invagine pour entourer le parasite, elle limine d'une mani re ou d'une autre les prot ines normales de la membrane de la cellule h te, de sorte que le compartiment (en rouge) ne fusionne pas avec les lysosomes. Apr s plusieurs cycles de r plication, le parasite provoque la d composition du compartiment et la lyse de la cellule h te, lib rant les parasites de la descendance pour infecter d'autres cellules h tes (Vid o 23.6). Micrographie optique de T. gondii se r pliquant dans un compartiment entour d'une membrane (une vacuole) dans une cellule cultiv e. (B, avec la permission de Manuel Camps et John Boothroyd.) CYTOSOL DE L'H TE TrypanosomacruziCa2+ Compartiment Ca2+ d riv de la membrane lysosomalelysosomes lysosomes endosome pr coce 5. S CR TION DE R PLICATION DE PROT INES FORMANT DES PORES 4. INVASION 6. LYSE DE LA MEMBRANE ENVIRONNANTE, LIB RATION DE L'AGENT PATHOG NE DANS LE CYTOSOL Figure 23 21 Les deux strat gies alternatives utilis es par Trypanosoma cruzi pour envahir les cellules h tes. Dans la voie d pendante des lysosomes ( gauche), T. cruzi recrute des lysosomes de la cellule h te sur son site de fixation la cellule h te. Les lysosomes fusionnent avec la membrane plasmique invaginante pour cr er un compartiment intracellulaire construit presque enti rement de membrane lysosomale. Apr s un bref s jour dans le compartiment, le parasite s cr te une prot ine formant des pores qui perturbe la membrane environnante, permettant ainsi au parasite de s' chapper dans le cytosol de la cellule h te et de prolif rer. Dans la voie ind pendante du lysosome ( droite), le parasite induit la membrane plasmique de l'h te s'invaginer et se pincer sans recruter de lysosomes ; Ensuite, les lysosomes fusionnent avec l'endosome avant que le parasite ne s' chappe dans le cytosol. Figure 23 22 Choix auxquels un agent pathog ne intracellulaire est confront . Apr s avoir p n tr dans une cellule h te, g n ralement par phagocytose dans un compartiment entour d'une membrane, les agents pathog nes intracellulaires peuvent utiliser l'une des trois strat gies suivantes pour survivre et se r pliquer. Les agents pathog nes qui suivent la strat gie (1) comprennent tous les virus, Trypanosoma cruzi, Listeria monocytogenes et Shigel
Biologie moléculaire de la cellule	la flexneri. Parmi ceux qui suivent la strat gie (2), mentionnons Mycobacterium tuberculosis et Legionella pneumophila. Ceux qui suivent la strat gie (3) comprennent Salmonella enterica, Coxiella burnetii et Leishmania. Certains agents pathog nes intracellulaires s' chappent du phagosome dans le cytosol Les parasites intracellulaires dont nous venons de parler soul vent un probl me g n ral auquel sont confront s tous les agents pathog nes intracellulaires, y compris les virus, les bact ries et les parasites eucaryotes : ils doivent trouver un compartiment cellulaire dans lequel ils peuvent se r pliquer. Apr s leur endocytose par une cellule h te, ils se retrouvent g n ralement dans un compartiment endosomal, qui fusionnerait normalement avec les lysosomes pour former un phagolysosome, un endroit dangereux pour les agents pathog nes. Pour survivre, les agents pathog nes utilisent diverses strat gies. Certaines s' chappent du compartiment endosomal avant une telle fusion. D'autres restent dans les compartiments endosomaux mais le modifient pour qu'il ne fusionne plus avec les lysosomes. D'autres encore ont volu pour r sister aux conditions difficiles du phagolysosome (Figure 23 22). Trypanosoma cruzi utilise la voie d' chappement en s cr tant une toxine formant des pores qui lyse la membrane du lysosome, lib rant le parasite dans le cytosol de la cellule h te (voir Figure 23-21). La bact rie Listeria monocytogenes utilise une strat gie similaire. Apr s une phagocytose par le m canisme de la fermeture clair, il s cr te une prot ine appel e list riolysine O, qui perturbe la membrane phagosomale, lib rant les bact ries dans le cytosol (Figure 23-23). De nombreux agents pathog nes modifient le trafic membranaire dans la cellule h te pour survivre et se r pliquerLa survie et la reproduction de nombreux agents pathog nes intracellulaires n cessitent qu'ils modifient la membrane (v siculaire) dans la cellule h te. Ils peuvent, par exemple, emp cher la fusion normale des endosomes avec les lysosomes, ou s'adapter 1 2 absorption par un m canisme de fermeture clair 3 s cr tion de list riolysine 4 perturbation membranaire m di e par la list riolysine 5 lib ration et r plication bact riennes 6 list riolysine s cr t e maintenant d truite dans les prot asomes de l'h te prot asome phagosome pH <6,0 pH >6,0 Figure 23 23 Fuite de Listeria monocytogenes par destruction s lective de la membrane phagosomale. La bact rie se fixe l'E-cadh rine la surface des cellules pith liales de l'h te et induit sa propre absorption par le m canisme de la fermeture clair (voir Figure 23-19A). l'int rieur du phagosome, la bact rie s cr te la prot ine list riolysine O, qui est activ e pH <6 et forme des oligom res dans la membrane du phagosome, cr ant ainsi de grands pores et finissant par perturber la membrane. Une fois dans le cytosol de la cellule h te, les bact ries commencent se r pliquer et continuent s cr ter de la list riolysine O ; Cependant, comme le pH dans le cytosol est de >6, la list riolysine O y est inactive et est galement rapidement d grad e par les prot asomes. Ainsi, la membrane plasmique de la cellule h te reste intacte. R sister aux armements antimicrobiens du lysosome. Les agents pathog nes intracellulaires doivent galement fournir une voie pour importer des nutriments du cytosol de l'h te dans le compartiment de leur choix. Diff rents agents pathog nes ont des strat gies distinctes pour modifier le trafic membranaire dans la cellule h te (Figure 23-24). M. tuberculosis emp che l'endosome pr coce qui contient la bact rie de m rir, de sorte que l'endosome ne s'acidifie jamais ou n'acquiert jamais les autres caract ristiques d'un endosome ou d'un lysosome tardif. Cette strat gie n cessite l'activit de son syst me de s cr tion de type VII, ainsi que des produits lipidiques mycobact riens qui imitent les lipides de l'h te et influencent le trafic v siculaire. Les phagosomes contenant Salmonella enterica, en revanche, s'acidifient et acqui rent des marqueurs d'endosomes et de lysosomes tardifs, mais les bact ries ralentissent le processus de maturation phagosomale. Pour ce faire, ils injectent des prot ines effectrices par le biais d'un deuxi me syst me de s cr tion de type III. Ces effecteurs activent les prot ines motrices de la kin sine de l'h te pour tirer les tubules membranaires vers l'ext rieur du phagosome le long des microtubules cytoplasmiques, formant un compartiment sp cialis appel vacuole contenant Salmonella (Figure 23 25). D'autres bact ries semblent trouver refuge dans des compartiments intracellulaires distincts de ceux du syst me endocytaire habituel. Un exemple est Legionella pneumophila, qui a t reconnu pour la premi re fois comme un agent pathog ne humain en 1976, lorsqu'il a t d couvert qu'il tait la cause d'un type de pneumonie connu sous le nom de maladie du l gionnaire. L. pneumophila est normalement un parasite des amibes d'eau douce, mais il est g n ralement Fig
Biologie moléculaire de la cellule	ure 23 24 Modifications du trafic membranaire dans les cellules h tes par des agents pathog nes bact riens. Les agents pathog nes bact riens intracellulaires, notamment Mycobacterium tuberculosis, Salmonella enterica et Legionella pneumophila, se r pliquent tous dans des compartiments entour s de membranes, mais les compartiments diff rent. M. tuberculosis reste dans un compartiment qui pr sente des marqueurs endosomaux pr coces et continue de communiquer avec la membrane plasmique via des v sicules de transport. S. enterica se r plique dans un compartiment qui pr sente des marqueurs endosomaux tardifs et ne communique pas avec la membrane plasmique. L. pneumophila se r plique dans un compartiment inhabituel qui est envelopp dans une membrane rugueuse du r ticulum endoplasmique (RE) et communique avec le RE par l'interm diaire de v sicules de transport. TGN, r seau trans Golgi. Figure 23 25 Salmonella enterica r sidant dans un compartiment phagosomal modifi appel vacuole contenant Salmonella. Ces bact ries envahissent la cellule h te l'aide d'un syst me de s cr tion SPI1 de type III pour injecter des prot ines effectrices qui induisent le m canisme de d clenchement de l'entr e des microbes illustr la figure 23-19B. Apr s son engloutissement dans un phagosome, la bact rie inactive son syst me de s cr tion SPI1 de type III et active son syst me de s cr tion SPI2 de type III pour injecter diff rentes prot ines effectrices, qui remod lent le phagosome en vacuole sp cialis e contenant Salmonella. L'une des prot ines effectrices inject es active les prot ines motrices de la kin sine de l'h te pour tirer les tubules membranaires vers l'ext rieur vers les extr mit s positives de la microtubules (voir figure 16 42). (B) Micrographie fluorescence montrant S. enterica dans une vacuole contenant Salmonella. Les bact ries sont color es en vert, les microtubules en rouge et le noyau en bleu. (B, avec l'aimable autorisation de Stephane Meresse.) blocage de la s cr tion de type IV 0,5 m Figure 23 26 Legionella pneumophila r sidant dans un compartiment pr sentant des caract ristiques similaires celles du r ticulum endoplasmique rugueux (eR). (A) Micrographie lectronique montrant la structure enroul e inhabituelle que la bact rie Legionella pneumophila induit la surface d'un phagocyte pendant le processus d'invasion. D'autres agents pathog nes, notamment la bact rie Borrelia burgdorferi, qui cause la maladie de Lyme, l'agent pathog ne eucaryote Leishmania et la levure Candida albicans, peuvent galement envahir les cellules en utilisant ce type de phagocytose enroul e. (B) Apr s l'invasion, L. pneumophila utilise son syst me de s cr tion de type IV pour s cr ter des prot ines effectrices qui bloquent la fusion phagosome-endosome et la maturation des phagosomes. Il s cr te galement des prot ines effectrices qui favorisent la fusion du phagosome avec les v sicules d riv es du RE, cr ant ainsi une vacuole contenant des Legionella avec des caract ristiques similaires au RE rugueux. (A, de M.A. Horwitz, Cell 36:27 33, 1984. Avec l'autorisation d'Elsevier.) Propagation l'homme par les syst mes centraux de climatisation, qui abritent des amibes infect es et produisent des microgouttelettes d'eau facilement inhal es. Une fois dans les poumons, les bact ries sont englouties par les macrophages par un processus inhabituel appel phagocytose enroul e (Figure 23-26A). L. pneumophila utilise un syst me de s cr tion de type IV pour injecter dans le phagocyte des prot ines effectrices qui modulent l'activit des prot ines qui r gulent le trafic v siculaire, y compris les prot ines SNARE et les petites GTPases de la famille Rab et Arf (discut es au chapitre 13). Les prot ines effectrices emp chent ainsi le phagosome de fusionner avec les endosomes et favorisent sa fusion avec les v sicules d riv es du r ticulum endoplasmique, convertissant le phagosome en un compartiment qui ressemble au r ticulum endoplasmique rugueux (Figure 23-26B). Les virus peuvent galement modifier le trafic membranaire dans la cellule h te. Les virus envelopp s utilisent les membranes des cellules h tes pour acqu rir leur propre membrane d'enveloppe. Dans les cas les plus simples, les glycoprot ines cod es par le virus sont ins r es dans la membrane du r ticulum endoplasmique et suivent la voie s cr toire travers l'appareil de Golgi jusqu' la membrane plasmique ; les prot ines de la capside virale et le g nome s'assemblent en nucl ocapsides, qui acqui rent leur enveloppe lorsqu'elles se d tachent de la membrane plasmique (voir Figure 23-12). Ce m canisme est utilis par de nombreux virus envelopp s, y compris le VIH-1. D'autres virus envelopp s, tels que les virus de l'herp s et le virus de la vaccine, acqui rent leurs enveloppes lipidiques de mani re plus complexe (figures 23 27). Les virus et les bact ries utilisent le cytosquelette de la cellule h te pour se d placer l'int rieur de l' tablissement Comme mentionn pr c demment,
Biologie moléculaire de la cellule	de nombreux agents pathog nes s' chappent dans le cytosol plut t que de rester dans un compartiment ferm par une membrane. Le cytosol des cellules de mammif res est extr mement visqueux, car il est encombr de complexes prot iques, d'organites et de filaments cytosquelettiques, qui inhibent tous la diffusion de particules de la taille d'une bact rie ou d'une nucl ocapside virale. Ainsi, pour atteindre une r gion particuli re de la cellule h te, un agent pathog ne doit y tre activement d plac . Comme pour le transport des organites intracellulaires, les agents pathog nes utilisent g n ralement le cytosquelette de la cellule h te pour leur mouvement actif. noyau Golgi WRAPPING ( ?) (B) Plusieurs bact ries qui se r pliquent dans le cytosol de la cellule h te ont adopt un m canisme remarquable qui d pend de la polym risation de l'actine pour le mouvement. Ces bact ries comprennent les agents pathog nes humains Listeria monocytogenes, Shigella flexneri, Rickettsia rickettsii (qui cause la fi vre pourpr e des montagnes Rocheuses) et Burkholderia pseudomallei (qui cause la m lio dose, une maladie caract ris e par des sympt mes respiratoires graves). Le baculovirus, un virus d'insecte, utilise galement ce m canisme pour le mouvement intracellulaire. Tous ces agents pathog nes induisent la nucl ation et l'assemblage des filaments d'actine de la cellule h te un p le de la bact rie ou du virus. Les filaments en croissance g n rent de la force et poussent les agents pathog nes travers le cytosol des taux allant jusqu' 1 m/sec (Figure 23 28). De nouveaux filaments se forment l'arri re de chaque agent pathog ne et sont laiss s derri re eux comme une tra n e de fus e mesure que le microbe avance ; Les filaments se d polym risent en une minute environ lorsqu'ils rencontrent des facteurs de d polym risation dans le cytosol. Pour L. monocytogenes et S. flexneri, les bact ries en mouvement entrent en collision avec la membrane plasmique et se d placent vers l'ext rieur, induisant la formation de longues et minces protub rances de cellules h tes avec les bact ries leur extr mit . Comme le montre la figure 23-28, une cellule voisine engloutit souvent ces projections, ce qui permet la bact rie de p n trer dans le cytoplasme du voisin sans tre expos e l'environnement extracellulaire, vitant ainsi les anticorps produits par le syst me immunitaire adaptatif de l'h te. Pour B. pseudomallei, le mouvement et la collision de la bact rie avec la membrane plasmique favorisent la fusion cellule-cellule, ce qui sert un objectif similaire d' vitement immunitaire tout en permettant une r plication bact rienne continue. Figure 23 27 Strat gies complexes pour l'acquisition de l'enveloppe virale. (A) Les nucl ocapsides de l'herp svirus s'assemblent dans le noyau, puis bourgeonnent travers la membrane nucl aire interne dans l'espace entre les membranes nucl aires interne et externe, acqu rant une couche de membrane bicouche lipidique. Les particules virales perdent alors apparemment cette enveloppe lorsqu'elles fusionnent avec la membrane du r ticulum endoplasmique pour s' chapper dans le cytosol. Par la suite, les nucl ocapsides bourgeonnent dans l'appareil de Golgi et bourgeonnent nouveau de l'autre c t , acqu rant ainsi deux nouvelles couches de membrane dans le processus. Le virus bourgeonne ensuite partir de la surface cellulaire avec une seule membrane lorsque sa membrane externe fusionne avec la membrane plasmique. (B) Le virus de la vaccine (qui est troitement li au virus qui cause la variole et qui est utilis pour vacciner contre la variole) s'assemble dans des usines de r plication dans le cytosol, loin de la membrane plasmique. Le virion immature, avec une membrane, est ensuite entour de deux membranes suppl mentaires, toutes deux acquises de l'appareil de Golgi par un m canisme d'enveloppement mal compris, pour former le virion envelopp intracellulaire. Apr s la fusion de la membrane la plus externe avec la membrane plasmique de la cellule h te, le virion envelopp extracellulaire est lib r de la cellule h te. Figure 23 28 Le mouvement des agents pathog nes bact riens l'int rieur et entre les cellules h tes. (A) Apr s l'invasion, des agents pathog nes bact riens tels que Listeria monocytogenes, Shigella flexneri, Rickettsia rickettsii et Burkholderia pseudomallei induisent l'assemblage de queues riches en actine dans le cytoplasme de la cellule h te, ce qui entra ne un mouvement bact rien rapide. Pour la plupart de ces agents pathog nes, les bact ries en mouvement entrent en collision avec la membrane plasmique de la cellule h te pour former des protub rances recouvertes de membrane, qui sont englouties par les cellules voisines, propageant ainsi l'infection d'une cellule l'autre. En revanche, pour B. pseudomallei, la collision avec la membrane plasmique favorise la fusion cellule-cellule, cr ant un conduit par lequel les bact ries peuvent envahir les cellules voisines (film 23.7). L
Biologie moléculaire de la cellule	es m canismes mol culaires de l'assemblage de l'actine induite par l'agent pathog ne diff rent pour les diff rents agents pathog nes, ce qui sugg re qu'ils ont volu ind pendamment (Figure 23 29). L. monocytogenes et le baculovirus produisent des prot ines qui se lient directement au complexe Arp 2/3 et l'activent pour initier la formation d'une queue d'actine et son mouvement (voir les figures 16 et 16). S. flexneri produit une prot ine de surface non apparent e qui se lie N-WASp et l'active, qui active ensuite le complexe Arp 2/3. Les esp ces de rickettsia produisent une prot ine qui polym rise directement l'actine en imitant la fonction des prot ines de formine de l'h te (voir Figure 16-17). De nombreux agents pathog nes viraux d pendent principalement des prot ines motrices d pendantes des microtubules plut t que de la polym risation de l'actine pour se d placer dans le cytosol de la cellule h te. Les virus qui infectent les neurones, tels que les virus de l'herp s alpha neurotrope, qui comprennent le virus qui cause la varicelle, en fournissent des exemples importants. Le virus p n tre dans les neurones sensoriels l'extr mit de leurs axones, et le transport axonal r trograde r trograde bas sur les microtubules transporte les nucl ocapsides le long de l'axone jusqu'au noyau. Le transport est m di par la fixation des prot ines de la capside virale la prot ine motrice dyn ine (voir Figure 16-58). Apr s la r plication et l'assemblage dans le noyau, les virions envelopp s sont ensuite transport s par un transport axonal vers l'avant ant rograde le long des microtubules jusqu'aux extr mit s axonales, le transport tant m di par la fixation d'une prot ine de capside virale diff rente une prot ine motrice de la kin sine (voir Figure 16-56). Un grand nombre de virus associ s des prot ines motrices de dyn ine ou de kin sine pour se d placer le long des microtubules un moment donn de leur r plication. Comme les microtubules servent de pistes orient es pour le transport v siculaire dans les cellules eucaryotes, il n'est pas surprenant que de nombreux virus aient ind pendamment d velopp la capacit de les exploiter pour leur propre transport. Les virus peuvent prendre le contr le du m tabolisme de la cellule h te Les virus utilisent la machinerie de base de la cellule h te pour la plupart des aspects de leur reproduction : ils d pendent des ribosomes de la cellule h te pour produire leurs prot ines, et la plupart utilisent l'ADN et l'ARN polym rases de la cellule h te pour leur propre r plication et transcription. De nombreux virus codent pour des prot ines qui modifient l'appareil de transcription ou de traduction de l'h te pour favoriser la synth se des ARN et des prot ines viraux par rapport ceux de la cellule h te, d pla ant la capacit de synth se de la cellule vers la production de nouvelles particules virales. Le poliovirus, par exemple, code pour une prot ase qui clive sp cifiquement le composant de liaison TATA du TFIID (voir Figure 6-17), interrompant la transcription de la plupart des g nes codant pour les prot ines de la cellule h te. Le virus de la grippe produit une prot ine qui bloque la fois l' pissage et la polyad nylation des transcrits de l'ARN de la cellule h te, emp chant ainsi leur exportation dans le cytosol (voir la figure 6-38). Les virus modifient galement la traduction par l'h te. L'initiation de la traduction de la plupart des ARNm de la cellule h te d pend de la reconnaissance de leur coiffe 5' par des facteurs d'initiation de la traduction (voir Figure 6-70). Ce processus d'initiation est souvent inhib lors d'une infection virale, de sorte que les ribosomes de la cellule h te peuvent tre utilis s plus efficacement pour la synth se des prot ines virales. Certains g nomes viraux codent pour des endonucl ases qui coupent la coiffe 5 des ARNm de la cellule h te ; certains vont m me plus loin en utilisant les 5 capuchons lib r s comme amorces pour synth tiser des ARNm viraux, un processus appel captage de capuchons. Plusieurs autres g nomes d'ARN viral codent pour des prot ases qui clivent certains facteurs d'initiation de la traduction ; ces virus s'appuient sur la traduction ind pendante de la coiffe 5 de leur propre ARN, en utilisant des sites d'entr e internes des ribosomes (IRES) (voir Figure 7-68). Quelques virus ADN utilisent l'ADN polym rase de la cellule h te pour r pliquer leur g nome. Malheureusement pour ces virus, l'ADN polym rase n'est exprim e des niveaux lev s que pendant la phase S du cycle cellulaire, et la plupart des cellules infect es par ces virus passent la plupart de leur temps en phase G1. L'ad novirus a d velopp un m canisme pour faire passer la cellule h te en phase S, de sorte que la cellule produit de grandes quantit s d'ADN polym rase active, qui r plique ensuite le g nome viral ; pour ce faire, le g nome de l'ad novirus code galement pour des prot ines qui inactivent la fois Rb (voir Figure 17-61) et p53 (voir
Biologie moléculaire de la cellule	Figure 17-62), deux suppresseurs cl s de la progression du cycle cellulaire. Comme on pourrait s'y attendre pour tout m canisme qui encourage la r plication non r gul e de l'ADN, ces virus peuvent favoriser, dans certaines circonstances, le d veloppement du cancer. D'autres virus ADN, y compris les poxvirus et les mimivirus, codent leurs propres ADN et ARN polym rases, ainsi que certains r gulateurs de transcription, ce qui leur permet de contourner les voies habituelles de l'h te et de se r pliquer en dehors du noyau. Les virus ARN doivent toujours coder leurs propres prot ines de r plication, car les cellules h tes manquent d'enzymes polym rases qui utilisent l'ARN comme matrice. Pour les virus ARN avec un g nome simple brin, la strat gie de r plication d pend du fait que l'ARN est un brin positif [+], qui contient des informations traduisibles comme l'ARNm, ou un brin n gatif compl mentaire [ ]. Lorsque l'ARN est un brin positif [+], le g nome viral entrant est utilis pour produire l'ARN polym rase virale et les prot ines virales ; la polym rase virale est ensuite utilis e pour r pliquer l'ARN viral et g n rer des ARNm pour la production de plus de prot ines virales. Pour les virus dont le g nome de l'ARN est n gatif (comme le virus de la grippe et de la rougeole), une enzyme ARN polym rase est pr sent e comme une prot ine structurelle des capsides virales entrantes. Les r trovirus tels que le VIH-1, qui ont un g nome d'ARN brin positif [+], sont une classe sp ciale de virus ARN car ils portent en eux une enzyme virale de transcriptase inverse. Apr s avoir p n tr dans la cellule h te, la transcriptase inverse utilise le g nome de l'ARN viral comme matrice pour synth tiser une copie d'ADN double brin du g nome viral, qui p n tre dans le noyau et s'int gre dans les chromosomes de la cellule h te (voir Figure 5-62). Il est ensuite transcrit par l'ARN polym rase d pendante de l'ADN de la cellule pour produire des g nomes et des prot ines viraux. La complexit et la sp cificit de l'interaction entre les agents pathog nes et leurs cellules h tes pourraient sugg rer que la virulence serait difficile acqu rir par mutation al atoire. Pourtant, de nouveaux agents pathog nes mergent constamment, et les anciens agents pathog nes changent constamment d'une mani re qui rend les infections famili res plus difficiles pr venir ou traiter. Les agents pathog nes ont deux avantages qui leur permettent d' voluer rapidement. Tout d'abord, ils se r pliquent tr s rapidement, fournissant beaucoup de mat riel avec lequel la s lection naturelle peut travailler. Alors que les humains et les chimpanz s ont acquis une diff rence de 2% dans les s quences g nomiques sur environ 8 millions d'ann es d' volution divergente, le poliovirus Figure 23 29 M canismes mol culaires de la nucl ation de l'actine par divers agents pathog nes bact riens. Listeria monocytogenes et Shigella flexneri induisent la nucl ation de l'actine en recrutant et en activant le complexe Arp 2/3 de l'h te (voir Figure 16-16), bien que chacun utilise une strat gie de recrutement diff rente : L. monocytogenes exprime une prot ine de surface, ActA, qui se lie directement au complexe Arp 2/3 et l'active ; S. flexneri exprime une prot ine de surface, IcsA (non apparent e ActA), qui recrute la prot ine h te N-WASp, qui son tour recrute le complexe Arp 2/3, ainsi que d'autres prot ines h tes, y compris WIP (prot ine interagissant WASp). Rickettsia rickettsii utilise une strat gie totalement diff rente ; il exprime une prot ine de surface, Sca2, qui nucl e directement la polym risation de l'actine en imitant l'activit des prot ines de formine de l'h te. Le g ne b copi au nombre de parasites Niveaux d'anticorps x1000 VSGb Le g ne c copi au site d'expression L'infection g re une variation de 2 % de son g nome en 5 jours, soit peu pr s le temps qu'il faut au virus pour passer de la bouche humaine l'intestin. Deuxi mement, les pressions s lectives agissent rapidement sur cette variation g n tique. Le syst me immunitaire adaptatif de l'h te et les m dicaments microbicides modernes, qui d truisent tous deux les agents pathog nes qui ne changent pas, sont les principales sources de ces pressions s lectives. Un exemple d'adaptation la pression s lective impos e par le syst me immunitaire adaptatif est le ph nom ne de variation antig nique. Une r ponse immunitaire adaptative importante contre de nombreux agents pathog nes est la production par l'h te d'anticorps qui reconnaissent des mol cules sp cifiques (antig nes) la surface de l'agent pathog ne (voir le chapitre 24). De nombreux agents pathog nes ont d velopp des m canismes qui modifient d lib r ment ces antig nes au cours d'une infection, leur permettant d' chapper aux anticorps. Certains parasites eucaryotes, par exemple, subissent des r arrangements programm s des g nes codant pour leurs antig nes de surface. Un exemple frappant se trouve chez Trypanosoma brucei, un parasite protozoa
Biologie moléculaire de la cellule	ire qui provoque la maladie du sommeil africaine et est propag par les mouches ts -ts . (T. brucei est un parent de T. cruzi (voir les figures 23 21), mais il se r plique de mani re extracellulaire plut t qu'intracellulaire.) T. brucei est recouvert d'un seul type de glycoprot ine, appel e glycoprot ine sp cifique des variants (VSG), qui suscite chez l'h te une r ponse immunitaire protectrice qui limine rapidement la plupart des parasites. Le g nome du trypanosome, cependant, contient environ 1000 g nes ou pseudog nes Vsg diff rents, chacun codant pour un VSG avec une s quence d'acides amin s distincte. Un seul de ces g nes est exprim un moment donn , partir de l'un des quelque 20 sites d'expression possibles dans le g nome. Les r arrangements de g nes qui copient diff rents g nes Vsg dans des sites d'expression modifient plusieurs reprises la prot ine VSG affich e la surface de l'agent pathog ne. De cette fa on, quelques trypanosomes avec un VSG alt r chappent la clairance initiale m di e par les anticorps, se r pliquent et provoquent la r cidive de la maladie, conduisant une infection cyclique chronique (Figure 23 30). Les agents pathog nes bact riens peuvent galement changer rapidement leurs antig nes de surface. Comme nous l'avons vu au chapitre 5, les bact ries de Salmonella enterica alternent entre l'expression de l'une ou l'autre des deux versions de la prot ine flagelline, le composant structurel du flagelle bact rien (voir la figure 23-3D), dans un processus appel variation de phase (voir la figure 5-65). Les esp ces du genre Neisseria sont galement championnes dans ce domaine. Ces cocci Gram n gatif peuvent provoquer une m ningite et des maladies sexuellement transmissibles. Ils subissent une recombinaison g n tique tr s similaire celle d crite ci-dessus pour les agents pathog nes eucaryotes, ce qui leur permet de faire varier la prot ine de piline qu'ils utilisent pour se fixer aux cellules h tes. En ins rant l'une des multiples copies silencieuses de g nes variants de la piline dans un seul locus d'expression, ils peuvent exprimer de nombreuses versions l g rement diff rentes de la prot ine et changer plusieurs reprises l'acide amin s quence dans le temps. La bact rie Neisseria est Figure 23 30 Variation antig nique des trypanosomes. (A) Il y a environ 1000 g nes Vsg distincts chez Trypanosoma brucei, et ils sont exprim s un par un partir d'environ 20 sites d'expression dans le g nome. Pour tre exprim , un g ne inactif est copi et la copie est d plac e dans un site d'expression par recombinaison de l'ADN. Chaque g ne Vsg code pour une prot ine de surface diff rente (antig ne). Ces v nements de commutation permettent au trypanosome de changer plusieurs reprises l'antig ne de surface qu'il exprime. (B) Une personne infect e par des trypanosomes exprimant VSGa d veloppe une r ponse anticorps protectrice, qui limine la plupart des parasites exprimant cet antig ne. Cependant, quelques-uns des trypanosomes seront pass s l'expression de VSGb, qui peut maintenant prolif rer jusqu' ce que les anticorps anti-VSGb les liminent. ce moment-l , cependant, certains parasites seront pass s au VSGc, et le cycle se poursuit. galement extr mement habiles pr lever l'ADN de leur environnement par transformation naturelle et l'incorporer dans leurs g nomes, contribuant ainsi leur extraordinaire variabilit . Le r sultat final de cette variation consid rable est une pl thore de compositions de surface diff rentes avec lesquelles d router le syst me immunitaire adaptatif de l'h te. Il n'est donc pas surprenant qu'il ait t difficile de d velopper un vaccin efficace contre les infections Neisseria, bien qu'il en existe maintenant plusieurs qui prot gent contre Neisseria meningitidis, une cause fr quente de m ningite mortelle. Contrairement aux r arrangements de l'ADN chez les bact ries et les parasites, les virus s'appuient sur un m canisme de r plication sujet aux erreurs pour la variation antig nique. Les g nomes r troviraux, par exemple, acqui rent en moyenne une mutation ponctuelle chaque cycle de r plication, car la transcriptase inverse virale (voir figure 5-62) n cessaire pour produire de l'ADN partir du g nome de l'ARN viral n'a pas l'activit de relecture des ADN polym rases. Une infection au VIH typique non trait e peut ventuellement produire des g nomes du VIH avec toutes les mutations ponctuelles possibles. Par un processus de mutation et de s lection au sein de chaque h te, la plupart des virus changent au fil du temps, passant d'une forme plus efficace pour infecter les macrophages une forme plus efficace pour infecter les lymphocytes T, comme d crit pr c demment (voir Figure 23-17). De m me, une fois qu'un patient est trait avec un m dicament antiviral, le g nome viral peut rapidement muter et tre s lectionn pour sa r sistance au m dicament. Fait remarquable, seulement environ un tiers des positions nucl otidiques dans la s quence codante
Biologie moléculaire de la cellule	du g nome viral sont invariantes, et les s quences nucl otidiques dans certaines parties du g nome, comme le g ne Env (voir la figure 7-62), peuvent diff rer jusqu' 30 % d'un isolat de VIH un autre. Cette extraordinaire plasticit g nomique complique consid rablement les tentatives de d veloppement de vaccins contre le VIH. Elle a galement conduit l' mergence rapide de nouvelles souches de VIH. Des comparaisons de s quences nucl otidiques entre diverses souches du VIH et le virus de l'immunod ficience simienne (VIS) tr s similaire isol chez diverses esp ces de singes sugg rent que le type de VIH le plus virulent, le VIH-1, pourrait tre pass des primates aux humains plusieurs reprises de mani re ind pendante, d s 1908 (figures 23 31). Les virus de la grippe constituent une exception importante la r gle selon laquelle la r plication sujette aux erreurs domine l' volution virale. Ils sont inhabituels en ce sens que leur g nome se compose de plusieurs (g n ralement huit) brins d'ARN. Lorsque deux souches de grippe infectent le m me h te, les brins d'ARN des deux souches peuvent se r assortir pour former un nouveau type de virus de la grippe. En temps normal, la grippe est une maladie b nigne chez les adultes en bonne sant , bien qu'elle puisse mettre la vie en danger chez les tr s jeunes et les personnes tr s g es. Diff rentes souches de grippe infectent les volailles, comme les canards et les poulets, mais seul un sous-ensemble de ces souches peut infecter les humains, et la transmission d'une volaille l'autre est rare. En 1918, cependant, une variante particuli rement virulente de la grippe aviaire a franchi la barri re des esp ces pour infecter les humains, d clenchant la pand mie catastrophique de 1918 appel e grippe espagnole, qui a tu 20 50 millions de personnes dans le monde. Les pand mies de grippe subs quentes ont t d clench es par le r assortiment du g nome, dans lequel un nouveau segment d'ARN d'une forme aviaire du virus a remplac un ou plusieurs des segments d'ARN viral de la forme humaine (figures 23 32). En 2009, un nouveau virus porcin H1N1 est apparu et d rivait de g nes de virus de la grippe porcine, aviaire et humaine. De tels v nements de recombinaison ont permis au nouveau virus de se r pliquer rapidement et de se propager dans une population humaine immunologiquement na ve. En g n ral, en deux ou trois ans, la population humaine d veloppe une immunit contre une nouvelle souche recombinante du virus, et le taux d'infection tombe un niveau stable. tant donn que les v nements de recombinaison sont impr visibles, il n'est pas possible de savoir quand la prochaine pand mie de grippe se produira ni quelle pourrait tre sa gravit . La mise au point de m dicaments qui gu rissent les infections plut t que de les pr venir a eu un impact majeur sur la sant humaine. Les antibiotiques, qui sont soit bact ricides (ils tuent les bact ries), soit bact riostatiques (ils inhibent la croissance bact rienne sans tuer), sont la classe la plus efficace de ces m dicaments. La p nicilline a t l'un des premiers antibiotiques = sauts du singe et du singe l'homme Figure 23 31 Diversification du VIH-1, du VIH-2 et des souches apparent es du VIS. Le VIH comprend diff rentes familles virales, toutes descendantes du SIV (virus de l'immunod ficience simienne). trois reprises, le VIS a t transmis d'un chimpanz un humain, ce qui a donn lieu trois groupes de VIH-1 : majeur (M), aberrant (O) et non-M non-O (N). Le groupe VIH-1 M est le plus courant et est le principal responsable de l' pid mie mondiale de sida. deux reprises, le VIS a t transmis d'un singe mangabey fuligineux un humain, ce qui a donn naissance aux deux groupes VIH-2. En 2009, une nouvelle souche du VIH a t d couverte, qui semble r sulter du passage du VIS d'un gorille un humain. 1292 Chapitre 23 : Agents pathog nes et infections H2N2 H3N ? utilis pour traiter les infections chez l'homme, juste temps pour viter des dizaines de milliers de d c s dus des blessures infect es sur le champ de bataille pendant la Seconde Guerre mondiale. Parce que les bact ries (voir Figure 1-17) ne sont pas troitement li es aux eucaryotes qu'elles infectent sur le plan volutif, une grande partie de leur machinerie de base pour la r plication et la transcription de l'ADN, la traduction de l'ARN et le m tabolisme diff re de celle de leur h te. Ces diff rences nous permettent de d velopper des m dicaments antibact riens qui pr sentent une toxicit s lective, en ce sens qu'ils inhibent sp cifiquement ces processus chez les bact ries sans les perturber chez l'h te. La plupart des antibiotiques que nous utilisons pour traiter les infections bact riennes sont de petites mol cules qui inhibent la synth se macromol culaire chez les bact ries en ciblant les enzymes bact riennes qui sont soit distinctes de leurs homologues eucaryotes, soit impliqu es dans des voies telles que la biosynth se de la paroi cellulaire qui son
Biologie moléculaire de la cellule	t absentes chez les animaux (Figure 23-33 et voir Tableau 6-4). Cependant, les bact ries voluent continuellement et les souches r sistantes aux antibiotiques se d veloppent rapidement, souvent quelques ann es apr s l'introduction d'un nouveau m dicament. Une r sistance aux m dicaments similaire appara t galement rapidement lors du traitement des infections virales avec des m dicaments antiviraux. La population virale d'une personne infect e par le VIH trait e avec l'inhibiteur de la transcriptase inverse AZT, par exemple, acquerra une r sistance compl te au m dicament en quelques mois. Le protocole actuel de traitement des infections par le VIH implique l'utilisation simultan e de trois m dicaments, ce qui permet de minimiser l'acquisition de r sistance pour l'un d'entre eux. Il existe trois strat gies g n rales par lesquelles un agent pathog ne peut d velopper une r sistance aux m dicaments : (1) il peut modifier la cible mol culaire du m dicament de sorte qu'il n'est plus sensible au m dicament ; (2) il peut produire une enzyme qui modifie ou d truit le m dicament ; ou (3) il peut emp cher l'acc s du m dicament la cible m dicamenteuse, par exemple en pompant activement le m dicament hors de l'agent pathog ne (Figure 23-34). Une fois qu'un agent pathog ne a mis au point une strat gie efficace de r sistance aux m dicaments, les g nes nouvellement acquis ou mut s qui conf rent la r sistance sont fr quemment propag s dans la population d'agents pathog nes par transfert horizontal de g nes. Ils peuvent m me se propager entre des agents pathog nes d'esp ces diff rentes. L'antibiotique tr s efficace mais co teux vancomycine, par exemple, est utilis comme traitement de dernier recours pour de nombreuses infections bact riennes graves, contract es l'h pital, Gram positif qui sont r sistantes la plupart des autres antibiotiques connus. La vancomycine emp che une tape de la synth se de la paroi cellulaire bact rienne : la r ticulation des cha nes de peptidoglycanes dans la paroi cellulaire bact rienne (voir Figure 23-3B). Une r sistance peut survenir si la bact rie synth tise une paroi cellulaire l'aide de diff rentes sous-unit s qui ne se lient pas la vancomycine. La forme la plus efficace de r sistance la vancomycine d pend de l'acquisition d'un transposon (voir Figure 5-60) contenant sept g nes, dont les produits travaillent ensemble pour d tecter le Figure 23 32 Mod le d' volution des souches pand miques du virus de la grippe par recombinaison. Grippe A Le virus est un agent pathog ne naturel des oiseaux, en particulier de la sauvagine, et il est toujours pr sent dans les populations d'oiseaux sauvages. En 1918, une forme particuli rement virulente du virus a franchi la barri re des esp ces des oiseaux aux humains et a provoqu une pid mie mondiale d vastatrice. Cette souche a t d sign e H1N1, en r f rence aux formes sp cifiques de ses principaux antig nes, l'h magglutinine (H) et la neuraminidase (N). L' volution du virus, qui l'a rendu moins virulent, et l'augmentation de l'immunit adaptative dans la population humaine ont emp ch la pand mie de se poursuivre au cours des saisons suivantes, bien que les souches de grippe H1N1 aient continu causer des maladies graves chaque ann e chez les tr s jeunes et les personnes tr s g es. En 1957, une nouvelle pand mie s'est produite lorsque trois g nes ont t remplac s par des g nes quivalents d'un virus aviaire (barres vertes) ; la nouvelle souche (d sign e H2N2) n'a pas t limin e efficacement par les anticorps chez les personnes qui n'avaient auparavant contract que des formes H1N1 de la grippe. En 1968, une autre pand mie a t d clench e lorsque deux g nes ont t remplac s par un autre virus aviaire ; le nouveau virus a t d sign H3N2. En 1977, il y a eu une r surgence de la grippe H1N1, qui avait t presque compl tement remplac e par les souches N2. Les donn es sur le s quen age mol culaire sugg rent que cette pand mie mineure pourrait avoir t caus e par la lib ration accidentelle d'une souche de grippe qui tait d tenue en laboratoire depuis environ 1950. En 2009, un nouveau virus porcin H1N1 est apparu, d riv de cinq g nes de virus de la grippe porcine, deux de virus de la grippe aviaire et un d'un virus de la grippe humaine. Comme nous l'avons indiqu , la plupart des cas de grippe humaine sont aujourd'hui caus s par les souches H1N1 et H3N2. synth se des prot ines, p nicillines 30S inhibiteurs des ribosomes synth se des prot ines, sulfonamides pr sence de vancomycine, arr tent la voie normale pour la synth se de la paroi cellulaire bact rienne et produisent un type diff rent de paroi cellulaire. Les g nes de r sistance aux m dicaments acquis par transfert horizontal proviennent souvent de r servoirs microbiens environnementaux. Presque tous les antibiotiques utilis s aujourd'hui pour traiter les infections bact riennes sont bas s sur des produits naturels produits par des champignons ou des bact ries. La p nicilline,
Biologie moléculaire de la cellule	par exemple, est fabriqu e par la moisissure Penicillium, et plus de 50% des antibiotiques actuellement utilis s en clinique sont fabriqu s par des bact ries Gram positif du genre Streptomyces, qui r sident dans le sol. On pense que les micro-organismes produisent des compos s antimicrobiens, dont beaucoup existent probablement sur Terre depuis des centaines de millions d'ann es, comme armes dans leur comp tition avec d'autres micro-organismes dans l'environnement. Des tudes sur des bact ries pr lev es sur des chantillons de sol qui n'ont jamais t expos s des antibiotiques utilis s en m decine moderne r v lent que les bact ries sont g n ralement d j r sistantes environ sept ou huit des antibiotiques largement utilis s dans la pratique clinique. Lorsque les micro-organismes pathog nes sont confront s la pression s lective exerc e par les traitements antibiotiques, ils peuvent apparemment puiser dans cette immense source de mat riel g n tique pour acqu rir une r sistance. Comme la plupart des autres aspects des maladies infectieuses, le comportement humain a exacerb le probl me de la r sistance aux m dicaments. De nombreux patients prennent des antibiotiques pour des sympt mes g n ralement caus s par des virus (maladies pseudo-grippales, rhumes, maux de gorge et maux d'oreilles) et ces m dicaments n'ont aucun effet. Une mauvaise utilisation persistante et chronique des antibiotiques peut ventuellement entra ner une flore normale r sistante aux antibiotiques, qui peut ensuite transf rer la r sistance aux agents pathog nes. Les antibiotiques sont galement utilis s mauvais escient dans l'agriculture, o ils sont couramment utilis s comme additifs alimentaires pour favoriser la croissance et la sant des animaux de ferme. Un antibiotique troitement apparent la vancomycine tait couramment ajout l'alimentation du b tail en Europe ; La r sistance qui en r sulte dans la flore normale de ces animaux est largement consid r e comme l'une des sources originales de bact ries r sistantes la vancomycine qui menacent maintenant la vie des patients hospitalis s. Figure 23 33 cibles antibiotiques. Bien qu'il existe de nombreux antibiotiques en usage clinique, ils ont une gamme troite de cibles, qui sont surlign es en jaune. Quelques antibiotiques repr sentatifs de chaque classe sont r pertori s. Presque tous les antibiotiques utilis s pour traiter les infections humaines entrent dans l'une de ces cat gories. La grande majorit inhibe soit la synth se des prot ines bact riennes, soit la synth se de la paroi cellulaire bact rienne. Figure 23 34 Trois m canismes g n raux de la r sistance aux antibiotiques. (A) Une cellule bact rienne non r sistante de type sauvage baign e dans un m dicament (triangles rouges) qui se lie une enzyme essentielle (vert clair) et l'inhibe sera tu e en raison de l'inhibition de l'enzyme. (B) Une bact rie qui a modifi l'enzyme cible du m dicament de sorte que le m dicament ne se lie plus l'enzyme survivra et prolif rera. Dans de nombreux cas, une mutation ponctuelle dans le g ne Le codage de la prot ine cible peut g n rer une r sistance. (C) Une bact rie qui exprime une enzyme (vert fonc ) qui d grade ou modifie le m dicament de mani re covalente survivra et prolif rera. Certaines bact ries r sistantes, par exemple, fabriquent des enzymes -lactamases, qui clivent la p nicilline et des mol cules similaires. (D) Une bact rie qui exprime ou r gule la hausse une pompe d'efflux qui jecte le m dicament du cytoplasme bact rien (en utilisant l' nergie d riv e de l'hydrolyse de l'ATP ou du gradient lectrochimique travers la membrane plasmique bact rienne) survivra et prolif rera. Certaines pompes d'efflux, telles que la pompe d'efflux TetR, sont sp cifiques d'un seul m dicament (dans ce cas, la t tracycline), tandis que d'autres, appel es pompes d'efflux multir sistantes (MDR), sont capables d'exporter une grande vari t de m dicaments structurellement diff rents. La r gulation positive d'une pompe multir sistante peut rendre une bact rie r sistante un tr s grand nombre d'antibiotiques diff rents en une seule tape. Parce que l'acquisition d'une r sistance aux m dicaments est presque in vitable, il est crucial que nous continuions d velopper des traitements innovants pour les maladies infectieuses. Nous devons galement prendre des mesures suppl mentaires pour retarder l'apparition de la r sistance aux m dicaments. Tous les agents pathog nes ont la capacit d'interagir avec les cellules h tes de diverses mani res qui favorisent la r plication et la propagation de l'agent pathog ne. Les agents pathog nes colonisent souvent l'h te en adh rant ou en envahissant les surfaces pith liales qui tapissent les voies respiratoires, gastro-intestinales et urinaires, ainsi que les autres surfaces du corps en contact direct avec l'environnement. Les agents pathog nes intracellulaires, y compris tous les virus et de nombreuses bact ries et protozoaires, envahissent les cellul
Biologie moléculaire de la cellule	es h tes par l'un des m canismes suivants. Les virus d pendent en grande partie de l'endocytose m di e par les r cepteurs, tandis que les bact ries exploitent l'adh sion cellulaire et les voies phagocytaires ; Dans les deux cas, la cellule h te fournit la machinerie et l' nergie n cessaires l'invasion. Les protozoaires, en revanche, emploient des strat gies d'invasion uniques qui n cessitent g n ralement des d penses m taboliques importantes de la part de l'envahisseur. Une fois l'int rieur, les agents pathog nes intracellulaires recherchent un compartiment cellulaire favorable leur survie et leur r plication, modifiant fr quemment le trafic de la membrane de l'h te et exploitant le cytosquelette de la cellule h te pour le mouvement intracellulaire. Les agents pathog nes voluent rapidement, de sorte que de nouvelles maladies infectieuses apparaissent fr quemment, et que les anciens agents pathog nes acqui rent de nouvelles fa ons d' chapper Quelles sont les caract ristiques g n tiques et mol culaires qui diff rent entre les agents pathog nes et les membres du microbiote humain normal ? Comment notre syst me immunitaire peut-il faire la distinction entre les deux ? Dans quelle mesure les voies biologiques et les mol cules communes des cellules h tes sont-elles d tourn es par divers microbes ? Les mol cules de d fense des cellules h tes peuvent-elles tre mobilis es par des m dicaments pour lutter contre les infections ? nos tentatives de traitement, de pr vention et d' radication. Quelles d clarations sont vraies ? Expliquez pourquoi ou pourquoi pas. Notre corps adulte abrite environ 10 fois plus de cellules microbiennes que les cellules humaines. 23 2 Les microbiomes des humains en bonne sant sont tous tr s similaires.23 3 Les agents pathog nes doivent p n trer dans les cellules h tes pour provoquer des maladies.23 4 Les virus r pliquent leur g nome dans le noyau de la cellule h te. 23 5 Vous ne devez pas prendre d'antibiotiques pour les maladies caus es par des virus. Discutez des probl mes suivants.23 6 Pour survivre et se multiplier, un agent pathog ne qui r ussit doit accomplir cinq t ches. Nommez-les. 23 7 L'infection Clostridium difficile est la principale cause de maladies gastro-intestinales nosocomiales. Il est g n ralement trait avec un traitement antibiotique, mais l'infection r cidive dans environ 20% des cas. Les infections C. difficile sont difficiles radiquer parce que la bact rie existe sous deux formes : une forme r pliquante productrice de toxines et une forme de spores r sistante aux antibiotiques. La transplantation de microbiote f cal, c'est- -dire le transfert d'un microbiote intestinal normal partir d'un individu en bonne sant , peut r soudre >90 % des infections r currentes, un bien meilleur taux de gu rison qu'un traitement antibiotique seul. Pourquoi pensez-vous que la transplantation de microbiote est si efficace ? 23 8 Quels sont les trois m canismes g n raux du transfert horizontal de g nes ? 23 9 La bact rie Gram n gatif Yersinia pestis, l'agent causal de la peste, est extr mement virulente. Lors de l'infection, Y. pestis injecte un ensemble de prot ines effectrices dans les macrophages qui suppriment leur comportement phagocytaire et interf rent galement avec leurs r ponses immunitaires inn es. L'une des prot ines effectrices, YopJ, ac tyle les s rines et les thr onines sur diverses MAP kinases, y compris la MAP kinase kinase kinase TAK1, qui contr le une tape cl de la signalisation dans la voie de r ponse immunitaire inn e. Pour d terminer comment YopJ interf re avec TAK1, vous devez transfecter des cellules humaines avec du YopJ actif (YopJWT) ou inactif (YopJCA) et avec du TAK1 actif marqu FLAG (TAK1WT) ou inactif (TAK1K63W), et effectuer un test pour TAK1 total et pour TAK1 phosphoryl , en utilisant des anticorps contre le marqueur FLAG ou contre TAK1 phosphoryl (Figure Q23-1). Comment YopJ bloque-t-il la voie de signalisation TAK1 ? Comment pensez-vous que l'activit ac tylase s rine/thr onine de YopJ pourrait interf rer avec l'activation de TAK1 ? IP : -FLAG-TAK1 IB : -pTAK1IP : -FLAG-TAK1 76 IB : -FLAG-TAK1 Figure Q23 1 Effets de YopJ sur la phosphorylation de TaK1 (Probl me 23 9). TaK1 a t immunopr cipit (Ip) l'aide d'anticorps dirig s contre l' tiquette FLaG ( -FLaG-TaK1). Le TaK1 total dans l'immunopr cipitation a t dos par immunotransfert (IB) en utilisant le m me anticorps. Le TaK1 phosphoryl a t dos par IB l'aide d'anticorps sp cifiques du phospho-TaK1 ( -pTaK1). Une chelle de la masse mol culaire des prot ines est repr sent e droite en kilodaltons. (D'apr s n. paquette et al., Proc. Natl Acad. Sci. USA 109:12710 12715, 2012. Avec l'autorisation de l'acad mie nationale des sciences.) 23 10 L'agent pathog ne bact rien intracellulaire Salmonella typhimurium, qui cause la gastro-ent rite, injecte des prot ines effectrices pour favoriser son invasion dans les cellules h tes non phagocytaires par le m canisme de
Biologie moléculaire de la cellule	d clenchement. S. typhimurium stimule d'abord l' bouriffement de la membrane pour favoriser l'invasion, puis supprime l' bouriffement de la membrane une fois l'invasion termin e. Ce comportement est m di en partie par l'injection de deux prot ines effectrices : SopE, qui favorise l' bouriffement et l'invasion membranaires, et SptP, qui bloque les effets de SopE. Les deux prot ines effectrices ciblent la GTPase monom re, Rac, qui, sous sa forme active, favorise l' bouriffement de la membrane. Comment pensez-vous que SopE et SptP affectent l'activit Rac ? Comment pensez-vous que les effets de la SopE et de la SptP sont chelonn s dans le temps s'ils sont inject s simultan ment ? John Snow est largement consid r comme le p re de l' pid miologie moderne. Il a enqu t sur une pid mie de chol ra Londres en 1854 qui a tu plus de 600 victimes avant d' tre termin e. Snow a not l'endroit o vivaient les victimes et a trac les donn es sur une carte, ainsi que l'emplacement des pompes eau qui servaient de source d'eau pour le public (figure Q23 2). Il a conclu que la maladie s' tait probablement propag e dans l'eau, bien qu'il n'ait rien trouv d' trange. Sa conclusion allait l'encontre de la croyance alors en vogue selon laquelle le chol ra provenait de miasmes pr sents dans l'air vici . Tr s peu de gens ont cru sa th orie au cours des 50 ann es suivantes, la th orie du mauvais air persistant au moins jusqu'en 1901. Que pensez-vous que Snow a vu dans les donn es qui l'ont conduit sa conclusion ? Pourquoi pensez-vous que la plupart des scientifiques sont rest s sceptiques pendant si longtemps ? Figure Q23 2 : une carte de l'endroit o vivaient les victimes de l' pid mie de chol ra de 1854, superpos e une carte Google moderne de la r gion (Probl me 23 11). L'emplacement des maisons des victimes est indiqu dans un d grad de couleurs allant du bleu (indiquant quelques cas) l'orange (indiquant de nombreux cas). les pompes eau publiques sont repr sent s par des carr s rouges. 23 12 Les pid mies de grippe sont responsables de 250 000 500 000 d c s dans le monde chaque ann e. Ces pid mies sont nettement saisonni res, se produisant dans les climats temp r s des h misph res nord et sud au cours de leur p riode de r surgence. Figure Q23 3 Tendances saisonni res des pid mies de grippe (Probl me 23 12). Les cas de grippe diff rentes p riodes de l'ann e sont indiqu s pour l'h misph re nord (bleu), l'h misph re sud (orange) et les tropiques (rouge). hivers timiaux. En revanche, dans les tropiques, l'activit grippale est importante tout au long de l'ann e, avec un pic pendant la saison des pluies (figure Q23 3). Pouvez-vous sugg rer des explications possibles aux tendances des pid mies de grippe dans les zones temp r es et les tropiques ? 23 13 Plusieurs virus brin n gatif portent leur g nome sous la forme d'un ensemble de segments d'ARN discrets. Les exemples incluent le virus de la grippe (huit segments), le virus de la fi vre de la vall e du Rift (trois segments), le hantavirus (trois segments) et le virus de Lassa (deux segments), pour n'en nommer que quelques-uns. Pourquoi la segmentation du g nome offre-t-elle un fort avantage volutif ces virus ? 23 14 virus de la grippe aviaire infectent facilement les oiseaux, mais sont tr s rarement transmis aux humains. De m me, les virus de la grippe humaine se propagent facilement d'autres humains, mais n'ont jamais t d tect s chez les oiseaux. La cl de cette sp cificit r side dans la prot ine de capside virale, l'h magglutinine, qui se lie aux r sidus d'acide sialique sur les glycoprot ines de surface des cellules, d clenchant l'entr e du virus dans la cellule (Vid o 23.8). L'h magglutinine sur les virus humains reconna t l'acide sialique dans une liaison 2-6 avec le galactose, tandis que l'h magglutinine aviaire reconna t l'acide sialique dans une liaison 2-3 avec le galactose. Les humains fabriquent des cha nes glucidiques qui n'ont que la liaison 2-6 entre l'acide sialique et le galactose ; les oiseaux ne font que la liaison 2-3 ; Mais les porcs fabriquent des cha nes de glucides avec les deux liaisons. En quoi cette situation fait-elle des porcs des h tes id aux pour g n rer de nouvelles souches de virus de la grippe humaine ? 23 15 La majorit des antibiotiques utilis s en clinique sont fabriqu s comme des produits naturels par des bact ries. Pourquoi pensez-vous que les bact ries fabriquent les agents m mes que nous utilisons pour les tuer ? 23 16 Dans les premiers jours de la recherche sur la p nicilline, on a d couvert que les bact ries dans l'air pouvaient d truire la p nicilline, un gros probl me pour la production grande chelle du m dicament. Comment pensez-vous que cela se produit ? Lorsque l' quipe d'Oxford compos e d'Ernst Chain et de Norman Heatley eut laborieusement recueilli leurs deux premiers grammes de p nicilline (probablement pas plus de 2 % de pure !), Chain injecta deux souris normales 1 g c
Biologie moléculaire de la cellule	hacune de cette pr paration, et attendit de voir ce qui se passerait. Les souris ont surv cu sans effets n fastes apparents. Leur patron, Howard Florey, tait furieux de ce qu'il consid rait comme un gaspillage de bons antibiotiques. Pourquoi cette exp rience tait-elle importante ? Cossart P, Boquet P, Normark S & Rappuoli R (eds) (2005) Microbiologie cellulaire, 2e d. Washington, DC : ASM Press. Engleberg NC, DiRita V & Dermody T (2012) Les m canismes de Schaechter de la maladie microbienne, 5e d. Philadelphie, Pennsylvanie : Lippincott, Williams et Wilkins.Norkin LA (2010) Virologie : biologie mol culaire et pathogen se. Washington, DC : ASM Press. Wilson BA, Salyers AA, Whitt DD et Winkler ME (2011) Pathogen se bact rienne : une approche mol culaire, 3e d. Washington, DC : ASM Press. Introduction aux agents pathog nes et au microbiote humain Aly AS, Vaughan AM & Kappe SH (2009) D veloppement du parasite du paludisme chez le moustique et infection de l'h te mammif re. Annu. R v. Microbiol. 63, 195 221. Baltimore D (1971) Expression des g nomes de virus animaux. Bacteriol. Rev. 35, 235-241. Clemente JC, Ursell LK, Parfrey LW & Knight R (2012) L'impact du microbiote intestinal sur la sant humaine : une vision int grative. Cellule 148, 1258 1270. Crick FH & Watson JD (1956) Structure de petits virus. Nature 177, 473 475.Fauci, A, & Morens, DM (2012) Le d fi perp tuel des maladies infectieuses. N. Engl. J. Med. 366, 454 461. Frost LS, Leplae R, Summers AO & Toussaint A (2005) l ments g n tiques mobiles : les agents de l' volution open source. Nat. Rev. Microbiol. 3, 722 732. Gal n JE & Wolf-Watz H (2006) Livraison de prot ines dans les cellules eucaryotes par des machines s cr tion de type III. Nature 444, 567 573. Hacker J & Kaper JB (2000) Les lots de pathog nicit et l' volution des microbes. Annu. R v. Microbiol. 54, 641 679. Nelson EJ, Harris JB, Morris JG Jr et al. (2009) Transmission du chol ra : la dynamique de l'h te, de l'agent pathog ne et du bact riophage. Nat. Rev. Microbiol. 7, 693 702. Pflughoeft KJ & Versalovic J (2012) Le microbiome humain dans la sant et la maladie. Annu. R v rend Pathol. 7, 99 122. Polk DB & Peek RM Jr (2010) Helicobacter pylori : cancer gastrique et au-del . Nat. Rev. Cancer 10, 403 414. Poulin, R & Morand, S (2000) La diversit des parasites. Q. Rev. Biol. 75, 277 293. Rappleye, CA & Goldman, WE (2006) D finition des g nes de virulence chez les champignons dimorphes. Annu. R v. Microbiol. 60, 281 303. Thomas CM & Nielsen KM (2005) M canismes et obstacles au transfert horizontal de g nes entre bact ries. Nat. Rev. Microbiol. 3, 711 721. Votteler J & Sundquist, WI (2013) Le bourgeonnement du virus et la voie ESCRT. Cellule-h te Microbe 14, 232-241. Young JAT & Collier RJ (2007) Toxine de l'anthrax : liaison aux r cepteurs, internalisation, formation de pores et translocation. Annu. R v. Biochem. 76, 243 265. Biologie cellulaire de l'infection Alix E, Mukherjee S & Roy CR (2011) Subversion des voies de transport membranaire par des agents pathog nes vacuolaires. J. Cell Biol. 195, 943 952. Beiting DP & Roos DS (2011) Une vision biologique des syst mes des agents pathog nes intracellulaires. Immunol. R v. 240, 117-128. Brandenburg B & Zhuang X (2007) Trafic de virus apprendre du suivi d'un seul virus. R v. Nat. Microbiol. 5, 197 208. Cossart P & Sansonetti PJ (2004) Invasion bact rienne : les paradigmes des pathog nes ent ro-invasifs. Science 304, 242 248. Daugherty MD & Malik HS (2012) R gles d'engagement : connaissances mol culaires des courses aux armements h te-virus. Annu. R v rend Genet. 46, 677 700. Davies J & Davies D (2010) Origines et volution de la r sistance aux antibiotiques. Microbiol. Mol. Biol. Rev. 74, 417 433. Dimitrov DS (2004) Entr e du virus : m canismes mol culaires et applications biom dicales. Nat. Rev. Microbiol. 2, 109 122. Duffy S, Shackelton LA & Holmes EC (2008) Taux de changement volutif chez les virus : mod les et d terminants. R v rend Genet. 9, 267 276. Forsberg KJ, Reyes A, Wang B et al. (2012) Le r sistome antibiotique partag des bact ries du sol et des agents pathog nes humains. Science 337, 1107 1111. Ghedin E, Sengamalay NA, Shumway M et al. (2005) Le s quen age grande chelle de la grippe humaine r v le la nature dynamique de l' volution du g nome viral. Nature 437, 1162 1166. Goldberg DE, Siliciano RF & Jacobs WR Jr (2012) D jouer l' volution : lutter contre la tuberculose pharmacor sistante, le paludisme et le VIH. Cellule 148, 1271 1283. Haglund CM & Welch MD (2011) Agents pathog nes et polym res : les interactions microbe-h te illuminent le cytosquelette. J. Cell Biol. 195, 7 17. Ham H, Sreelatha A & Orth K (2011) Manipulation des membranes h tes par des effecteurs bact riens. Nat. Rev. Microbiol. 9, 635 646. Hayward RD, Leong JM, Koronakis V & Campellone KG (2006) Exploitation d'Escherichia coli pathog ne pour mod liser la signalisation des r cepteurs transm
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Biologie moléculaire de la cellule	e reconna tre les envahisseurs nuisibles (agents pathog nes) et de les distinguer la fois des cellules et des mol cules de l'h te et des organismes trangers inoffensifs ou b n fiques et de leurs mol cules. Le syst me inn s'appuie sur des prot ines capteurs qui reconnaissent des types ou des mod les particuliers de mol cules communes aux agents pathog nes mais absentes ou s questr es dans l'h te. Le syst me adaptatif, en revanche, utilise des m canismes g n tiques uniques pour produire une diversit pratiquement illimit e de prot ines apparent es r cepteurs sur les cellules T et B et anticorps s cr t s qui, entre elles, peuvent se lier presque n'importe quelle mol cule trang re. Cette strat gie remarquable permet au syst me immunitaire adaptatif de r agir sp cifiquement contre n'importe quel agent pathog ne, m me si l'animal ne l'a jamais rencontr auparavant. Mais cela exige galement que le syst me apprenne ne pas r agir contre les mol cules du soi ou les mol cules trang res inoffensives ; Si ces m canismes d'apprentissage chouent, il en r sulte des r ponses auto-immunes ou allergiques nocives. Dans ce chapitre, nous nous concentrons sur les r ponses immunitaires des vert br s et les caract ristiques qui les distinguent des autres types de r ponses cellulaires. Nous commen ons par les d fenses immunitaires inn es, puis nous discutons des propri t s hautement sp cialis es du syst me immunitaire adaptatif. Le syst me INNATe IMMUNe OVerVIeW DU SYST ME ADApTIVe IMMUNe B ceLLS ET Figure 24 1 R ponses immunitaires inn es et adaptatives. Les r ponses immunitaires inn es sont activ es directement par les agents pathog nes et d fendent tous les organismes multicellulaires contre les infections. Chez les vert br s, les agents pathog nes, ainsi que les r ponses immunitaires inn es qu'ils activent, stimulent galement les r ponses immunitaires adaptatives, qui travaillent ensuite avec les r ponses immunitaires inn es pour aider combattre l'infection. Le syst me INNATe IMMUNe Les r ponses immunitaires adaptatives sont lentes se d velopper lorsqu'un vert br rencontre pour la premi re fois un nouvel agent pathog ne. En effet, les lymphocytes B et T sp cifiques qui peuvent r pondre un agent pathog ne particulier sont initialement peu nombreux et doivent tre stimul s pour prolif rer et se diff rencier avant de pouvoir d velopper des r ponses immunitaires adaptatives efficaces, ce qui peut prendre des jours. En revanche, une seule bact rie qui se divise toutes les heures peut g n rer pr s de vingt millions de descendants en une seule journ e, produisant une infection part enti re. Les vert br s comptent donc sur leur syst me immunitaire inn pour les d fendre contre l'infection pendant les premi res heures et les premiers jours critiques d'exposition un nouvel agent pathog ne. Les plantes et les invert br s n'ont pas de syst me immunitaire adaptatif et d pendent donc enti rement de l'immunit inn e pour se prot ger contre les agents pathog nes. Dans cette section, nous examinons certaines des strat gies utilis es par le syst me immunitaire inn pour reconna tre les agents pathog nes et fournir une premi re ligne de d fense contre eux. Les surfaces pith liales servent de barri res contre les infections Chez les vert br s, les premi res rencontres avec des organismes infectieux se produisent g n ralement au niveau des surfaces pith liales qui forment la peau et tapissent les voies respiratoires, digestives, urinaires et reproductives. Ces pith liums fournissent des barri res physiques et chimiques l'invasion par des agents pathog nes : des jonctions troites entre les cellules pith liales emp chent l'entr e entre les cellules, et une vari t de substances s cr t es par les cellules d couragent l'attachement et l'entr e des agents pathog nes. Les cellules pith liales k ratinis es de la peau, par exemple, forment une paisse barri re physique, et les glandes s bac es de la peau s cr tent des acides gras et de l'acide lactique, qui inhibent la croissance bact rienne. De plus, les cellules pith liales de tous les tissus, y compris ceux des plantes et des invert br s, s cr tent des mol cules antimicrobiennes appel es d fensines. Les d fensines sont des peptides amphipathiques charg s positivement qui se lient et perturbent les membranes de nombreux agents pathog nes, y compris les virus envelopp s, les bact ries, les champignons et les parasites. Les cellules pith liales qui tapissent les organes internes tels que les voies respiratoires et digestives s cr tent galement du mucus visqueux, qui adh re la surface de l' pith lium et rend difficile l'adh sion des agents pathog nes. Le battement des cils la surface des cellules pith liales qui tapissent les voies respiratoires et l'action p ristaltique de l'intestin d couragent galement l'adh sion des agents pathog nes. De plus, comme nous l'expliquons au chapitre 23, une peau et des intestins sains sont peupl s d'un grand nombre de m
Biologie moléculaire de la cellule	icrobes commensales inoffensifs (et souvent utiles), collectivement appel s la flore normale, qui rivalisent pour les nutriments avec les agents pathog nes ; Certains produisent galement des peptides antimicrobiens qui inhibent activement la prolif ration des agents pathog nes. Les r cepteurs de reconnaissance de formes (PRR) reconnaissent les caract ristiques conserv es des agents pathog nes Les agents pathog nes franchissent parfois les barricades pith liales, auquel cas les cellules non pith liales sous-jacentes du syst me immunitaire inn constituent la prochaine ligne de d fense. Ces cellules d tectent la pr sence d'agents pathog nes en grande partie gr ce l'utilisation de prot ines r ceptrices qui reconnaissent les mol cules associ es aux microbes qui ne sont pas pr sentes ou qui sont s questr es dans l'organisme h te. tant donn que ces mol cules microbiennes se produisent souvent selon des motifs r p titifs, elles sont appel es mod les mol culaires associ s des agents pathog nes (PAMP), m me s'ils ne sont pas propres aux microbes qui peuvent causer des maladies. Les PAMP sont pr sents dans diverses mol cules microbiennes, notamment les acides nucl iques, les lipides, les polysaccharides et les prot ines. Les prot ines r ceptrices sp ciales qui reconnaissent les PAMP sont appel es r cepteurs de reconnaissance de formes (PRR). Certains PRR sont des prot ines transmembranaires la surface de nombreux types de cellules h tes, o ils reconnaissent les agents pathog nes extracellulaires ; sur les cellules phagocytaires professionnelles (phagocytes) telles que les macrophages et les neutrophiles (discut es au chapitre 22), ils peuvent m dier l'absorption des agents pathog nes dans les phagosomes, qui fusionnent ensuite avec les lysosomes, o les agents pathog nes sont d truits. D'autres PRR sont situ s intracellulaires, o ils peuvent d tecter des agents pathog nes intracellulaires tels que des virus ; ces PRR sont soit libres dans le cytosol, soit associ s Figure 24 2 Les deux principales classes de r ponses immunitaires adaptatives. Les lymphocytes effectuent les deux classes de r ponses adaptatives, illustr es ici comme des r ponses une infection virale. Dans une classe, les lymphocytes B s cr tent des anticorps qui se lient sp cifiquement aux virus extracellulaires et les neutralisent, en emp chant les virus d'infecter les cellules h tes. Dans l'autre, les lymphocytes T m dient la r ponse ; Dans cet exemple, ils tuent les cellules h tes infect es par le virus. Dans les deux cas, les r ponses immunitaires inn es aident activer les r ponses immunitaires adaptatives par des voies qui ne sont pas montr es. Figure 24 3 Micrographie lectronique balayage d'une mouche des fruits mutante morte d'une infection fongique. La mouche est recouverte d'hyphes fongiques, car elle n'avait pas de r cepteur Toll, qui aide prot ger la drosophile contre les infections fongiques. (D'apr s B. Lemaitre et al., Cell 86:973-983, 1996.) les membranes du syst me endolysosomal (voir le chapitre 13). D'autres PRR encore sont s cr t s et se lient la surface des agents pathog nes extracellulaires, les marquant pour tre d truits par les phagocytes ou les prot ines sanguines qui font partie du syst me du compl ment (voir plus loin). Il existe plusieurs classes de prr Le premier PRR identifi tait le r cepteur Toll chez la drosophile, qui tait bien connu pour son r le dans le d veloppement des mouches (voir Figure 21 17). On a d couvert plus tard qu'il tait galement n cessaire la production de peptides antimicrobiens qui prot gent la mouche contre les infections fongiques (Figure 24 3). Toll est une glycoprot ine transmembranaire avec un grand domaine extracellulaire qui contient une s rie de r p titions riches en leucine. On a rapidement d couvert que les plantes et les animaux poss dent une vari t de r cepteurs de type Toll (TLR) qui fonctionnent comme des PRR dans les r ponses immunitaires inn es contre divers agents pathog nes. Les mammif res fabriquent au moins 10 TLR diff rents, chacun reconnaissant des ligands distincts : TLR3, par exemple, reconna t l'ARN viral double brin dans la lumi re endosomale (Figure 24 4) ; TLR4 reconna t le lipopolysaccharide (LPS) sur la partie externe Figure 24 4 Un r cepteur de type Toll. La structure de TLr3 humain est repr sent e (en vert), avec une mol cule d'ARNr double brin (dsrNA, bleu) li e celle-ci. Le r cepteur est un homodim re dans la membrane des endosomes. La liaison de dsrNA aux deux domaines en forme de fer cheval du c t de la membrane de l'endosome lumenal de l'endosome rapproche les deux domaines cytosoliques, permettant aux prot ines adaptatrices du cytosol de s'assembler en un grand complexe de signalisation (non illustr ). (B) La structure cristalline d'un domaine lum nal du r cepteur, qui contient 23 r p titions conventionnelles riches en leucine, chacune d'entre elles apportant un brin la feuille de continue (rouge) qui tapisse la
Biologie moléculaire de la cellule	surface concave de la structure. (A, adapt de L. Liu et al., Science 320:379-381, 2008. Avec l'autorisation de l'AAAS ; B, adapt de J. choe, M.S. Kelker et I.A. Wilson, Science 309:581-585, 2006 ; pDB : 1ZIW.) membrane de 0,2 mm de bact ries Gram n gatif ; TLR5 reconna t la prot ine qui forme le flagelle bact rien ; et TLR9 reconna t de courtes s quences non m thyl es d'ADN bact rien, viral ou protozoaire, appel es motifs CpG, qui sont rares dans l'ADN des vert br s. En plus des TLR, les vert br s utilisent plusieurs autres familles de PRR pour d tecter les agents pathog nes. L'un d'eux est la grande famille des r cepteurs de type NOD (NLR). Comme les TLR, les NLR ont des motifs r p t s riches en leucine, mais ils sont exclusivement cytoplasmiques et reconnaissent un ensemble distinct de mol cules bact riennes. Les individus qui sont homozygotes pour un all le mutant particulier du g ne NLR NOD2 ont un risque consid rablement accru de d velopper la maladie de Crohn, une maladie inflammatoire chronique de l'intestin gr le, peut- tre d clench e par une infection bact rienne. Une autre classe de PRR est constitu e de r cepteurs de type RIG (RLR), qui sont membres de la famille des prot ines ARN h licase. Ils sont galement exclusivement cytoplasmiques et d tectent les agents pathog nes viraux. Une quatri me classe de PRR se compose de r cepteurs de lectine de type C (CLR), qui sont des prot ines de surface cellulaire transmembranaires qui reconnaissent les glucides (c'est pourquoi ils sont appel s lectines) sur divers microbes. Le tableau 24 1 r sume certains PRR, leurs ligands et leurs emplacements dans les cellules. Collectivement, ces PRR et d'autres agissent comme un syst me d'alarme pour alerter les syst mes immunitaires inn et adaptatif qu'une infection se pr pare (film 24.1). Lorsqu'un PRR la surface d'une cellule ou intracellulaire se lie un PAMP, il stimule la cellule s cr ter une vari t de cytokines et d'autres mol cules de signal extracellulaire. Certains d'entre eux inhibent la r plication virale, mais la plupart induisent une r ponse inflammatoire locale qui aide liminer l'agent pathog ne, comme nous le voyons maintenant. Les prr activ s d clenchent une r ponse inflammatoire aux sites d'infection Lorsqu'un agent pathog ne envahit un tissu, il active les PRR sur ou dans diverses cellules du syst me immunitaire inn , entra nant une r ponse inflammatoire au site de l'infection. La r ponse inflammatoire d pend de modifications des vaisseaux sanguins locaux et se caract rise cliniquement par une douleur locale, une rougeur, une chaleur et un gonflement. Les vaisseaux sanguins se dilatent et deviennent perm ables aux fluides et aux prot ines, ce qui entra ne un gonflement local et une accumulation de prot ines sanguines qui aident la d fense. Dans le m me temps, les cellules endoth liales qui tapissent les vaisseaux sanguins locaux sont stimul es pour exprimer des prot ines d'adh sion cellulaire, qui favorisent l'attachement et l' chappement des globules blancs ou des leucocytes (voir Figure 19-29B), ajoutant au gonflement local ; Au d but, les neutrophiles s' chappent, suivis plus tard par les lymphocytes et les monocytes (les pr curseurs h matopo tiques des macrophages). L'activation des PRR entra ne la production d'une grande vari t de mol cules de signal extracellulaire qui m dient la r ponse inflammatoire au site d'une infection. Il s'agit la fois de mol cules de signal lipidique, telles que les prostaglandines, et de mol cules de signal prot ique (ou peptide) appel es cytokines. Certaines des cytokines pro-inflammatoires les plus importantes sont le facteur de n crose tumorale (TNF ), l'interf ron- (IFN ), une vari t de chimiokines (qui recrutent les leucocytes) et diverses interleukines (IL) dont nous parlerons plus loin, notamment IL1, IL6, IL12 et IL17. De plus, un PRR (lectine liant le mannose) s cr t active le syst me du compl ment lorsque le PRR se lie un agent pathog ne ; des fragments de prot ines du compl ment lib r s lors de l'activation du compl ment stimulent une r ponse inflammatoire (voir la figure 24-7). Lorsqu'ils sont activ s par les PAMP, la plupart des PRR la surface des cellules et intracellulaires stimulent la production de plusieurs cytokines pro-inflammatoires en activant des voies de signalisation intracellulaires qui activent les r gulateurs de transcription, y compris NF B, pour induire la transcription des g nes de cytokines pertinents (voir Figure 15 62). Cependant, certains PRR peuvent galement stimuler la production de cytokines pro-inflammatoires par un m canisme diff rent : lorsqu'ils sont activ s, plusieurs NLR cytoplasmiques s'assemblent avec des prot ines adaptatrices et des pr curseurs de prot ases sp cifiques de la famille des caspases (discut s au chapitre 18) pour former des inflammasomes, dans lesquels les cytokines pro-inflammatoires telles que IL1 sont cliv es de leurs prot ines pr curseurs inactives par des caspases a

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