Fiche de révision : Cellules souches et pluripotence

📋 Plan du Cours

1. Propriétés fondamentales des cellules souches
2. Hiérarchie des potentiels de différenciation
3. Validation expérimentale de la pluripotence
4. Reprogrammation et cellules IPS
5. Cellules souches multipotentes
6. QCM sur les potentiels souches
7. Propriétés des cellules souches hématopoïétiques
8. Preuves expérimentales des propriétés des CSH
9. Niche et régulation des CSH
10. Mobilisation thérapeutique des CSH
11. Cellules souches cancéreuses
12. Tests des cellules souches cancéreuses
13. Exemple du cancer gastrique

📖 1. Propriétés fondamentales des cellules souches

🔑 Notions clés & Définitions

• Cellule souche : Cellule non spécialisée qui se renouvelle de manière prolongée par division cellulaire et n’exprime aucune spécialisation.

• Quiescence : État dans lequel une cellule entre en phase G0 à la fin de la mitose, avec un métabolisme ralenti et sans réplication de l’ADN.

★ À maîtriser

📌 L’auto-renouvellement maintient le stock de cellules souches, l’expansion l’augmente et la quiescence constitue un état de repos.

• Lors de la division asymétrique, une cellule souche donne une cellule fille souche identique et une cellule fille différenciée, ce qui permet de maintenir le stock.

Compléments

• Les cellules souches sont principalement identifiées par leurs fonctions et expriment de nombreux gènes dont la transcription est particulièrement active à ce stade immature.

• Selon les signaux reçus, une cellule souche peut s’amplifier et augmenter le stock en donnant deux cellules souches aux mêmes propriétés par division symétrique.

📌 L’entrée et la sortie de quiescence dépendent de facteurs intrinsèques, comme les facteurs de transcription et les régulateurs du cycle cellulaire, et de facteurs extrinsèques, comme les facteurs de croissance et la concentration en oxygène.

📖 2. Hiérarchie des potentiels de différenciation

★ À maîtriser

• Les cellules totipotentes peuvent former un individu complet et se différencier en l’ensemble des cellules de l’organisme ; elles restent totipotentes jusqu’au stade morula, au quatrième jour du développement embryonnaire.

• À partir du stade blastocyste, les cellules souches sont pluripotentes et ne peuvent pas former un individu complet.

• Les cellules pluripotentes peuvent donner :
  • des cellules germinales
  • des cellules de l’ectoderme
  • des cellules du mésoderme
  • des cellules de l’endoderme

Compléments

• Les cellules souches pluripotentes embryonnaires proviennent du bouton embryonnaire au stade blastocyste et sont retrouvées entre le cinquième et le dixième jour du développement embryonnaire.

• L’ectoderme donne notamment :

  • le système nerveux
  • les cheveux
  • l’épiderme
  • les dents

• Le mésoderme donne notamment :

  • les muscles
  • les cellules sanguines
  • les vaisseaux
  • les tissus conjonctifs
  • les cellules cardiaques

• L’endoderme donne notamment :

  • le système digestif
  • les poumons
  • la vessie

💡 Astuce mémo

La morula peut former un individu ; le blastocyste pluripotent ne le peut pas.

📖 3. Validation expérimentale de la pluripotence

🔑 Notions clés & Définitions

• Tératome : Tumeur bénigne ou maligne dont les cellules peuvent donner des cellules des trois feuillets embryonnaires.

★ À maîtriser

• La mise en évidence in vitro des propriétés de cellules souches embryonnaires consiste à cultiver les cellules dans plusieurs conditions, puis à déterminer leur potentiel de différenciation en cellules des trois feuillets, par exemple par immunofluorescence.

• La mise en évidence in vivo consiste à injecter les cellules à une souris, puis à rechercher plusieurs semaines après la formation de tératomes et à vérifier la différenciation en cellules des trois feuillets par immunohistochimie ou immunofluorescence.

📌 La mise en évidence de la différenciation in vitro et du potentiel tératogène in vivo permet de conclure à la présence de cellules souches embryonnaires pluripotentes.

Compléments

• En culture, les cellules souches embryonnaires peuvent être cultivées en monocouche et leur différenciation dépend des facteurs cytokiniques ajoutés au milieu.

• La présence d’acide rétinoïque dans le milieu peut conduire une cellule souche embryonnaire à se différencier en neurone.

• L’immunofluorescence détecte des antigènes grâce à des anticorps couplés à des fluorochromes.

• Les marqueurs présentés associent l’ectoderme à la β-3 tubuline et aux neurones, le mésoderme à l’alpha-SMA et aux myofibroblastes, et l’endoderme à l’alpha-fœtoprotéine et aux hépatocytes.

💡 Astuce mémo

In vitro : différenciation en culture ; in vivo : tératome après injection.

📖 4. Reprogrammation et cellules IPS

🔑 Notions clés & Définitions

• Cellules IPS : Cellules différenciées adultes qui, après reprogrammation, acquièrent des caractéristiques et un potentiel similaires à ceux des cellules souches embryonnaires pluripotentes.

★ À maîtriser

• La reprogrammation des cellules IPS repose sur l’introduction des gènes de pluripotence OCT 3-4, SOX 2, KLF 4 et CMYC.

Compléments

• Les cellules IPS peuvent se multiplier puis se redifférencier et sont notamment utilisées en médecine régénérative.

• La production de cellules embryonnaires par clonage comprend le prélèvement de cellules, le transfert du noyau d’un fibroblaste dans un ovocyte énucléé, la culture des cellules du bouton embryonnaire au stade blastocyste, l’ajout de facteurs de croissance pour induire la différenciation et la réinjection chez le patient pour réparer les tissus.

• Les propriétés des cellules IPS peuvent être vérifiées in vitro par leur potentiel de différenciation ou in vivo par greffe et recherche de tératomes, avec des études histologiques et une immunohistochimie utilisant des anticorps spécifiques.

📖 5. Cellules souches multipotentes

🔑 Notions clés & Définitions

• Cellule souche multipotente : Cellule qui peut donner différents types cellulaires spécifiques d’un tissu, mais pas tous les types cellulaires de l’organisme.

★ À maîtriser

• Les cellules souches multipotentes contribuent au renouvellement physiologique, à la réparation et à l’homéostasie des tissus.

• Pour tester in vitro la différenciation et l’auto-renouvellement des cellules souches multipotentes, on cultive la population plusieurs semaines avec des cytokines, des facteurs de croissance et des cellules stromales, puis on analyse les cellules produites par des marqueurs spécifiques et par des tests fonctionnels d’adhésion ou de migration.

• Pour tester in vivo les cellules souches multipotentes, on provoque un dommage tissulaire, on injecte les cellules, puis on analyse la régénération par histologie et immunohistochimie afin d’évaluer leur contribution à la reconstitution du tissu.

Compléments

• Les tissus adultes à renouvellement rapide cités sont :

  • la peau
  • les bulbes pileux
  • l’intestin
  • la moelle osseuse

• L’équilibre entre quiescence et entrée en cycle des cellules souches multipotentes est régulé par leur microenvironnement.

📖 6. QCM sur les potentiels souches

📝 Points essentiels

📌 La hiérarchie des potentiels de différenciation est décroissante dans l’ordre totipotent, pluripotent, puis multipotent.

• Une cellule souche totipotente peut donner toutes les cellules d’un organisme.

• Les cellules souches multipotentes correspondent aux cellules souches adultes.

📖 7. Propriétés des cellules souches hématopoïétiques

★ À maîtriser

• Les cellules souches hématopoïétiques (CSH) peuvent se différencier en cellules des différents lignages hématopoïétiques.

• Les capacités d’auto-renouvellement et de multipotence des CSH diminuent progressivement au cours de la différenciation.

• Les CSH peuvent rester quiescentes, c’est-à-dire bloquées en phase G0 du cycle cellulaire.

• Les cellules souches hématopoïétiques se différencient en progéniteurs, puis en précurseurs engagés dans une voie de différenciation, avant de maturer en cellules sanguines.

📌 La cellule souche hématopoïétique peut donner tous les types de cellules sanguines, tandis qu’un progéniteur est limité à un seul lignage hématopoïétique.

Compléments

• Les globules rouges ont une durée de vie limitée à 120 jours et doivent être renouvelés pour maintenir leur taux sanguin constant.

📖 8. Preuves expérimentales des propriétés des CSH

★ À maîtriser

• Après la greffe de moelle osseuse saine chez la souris irradiée, la survie et des colonies myéloïdes et érythroïdes dans la rate montrent que la moelle contient des cellules capables de se différencier en plusieurs lignages hématopoïétiques. - TILL et MCCULLOH, 1961

• Dans l’expérience d’Osawa (1996), une CSH greffée à une première souris est récupérée puis greffée à une deuxième souris, où elle permet une repopulation hématopoïétique.

• La repopulation hématopoïétique après des greffes sériées à partir d’une seule CSH met en évidence sa capacité d’auto-renouvellement. - OSAWA, 1996

Compléments

• 🔄 L’expérience de Till et McCulloh (1961) procède ainsi :

  1. L’irradiation létale détruit les cellules de la moelle osseuse.
  2. Une injection de moelle osseuse saine est réalisée.
  3. L’hématopoïèse murine est reconstituée.

• Dans l’expérience de Sutherland (1989), des cellules humaines exprimant le marqueur CD34+ sont sélectionnées et mises en culture, où elles forment des colonies de l’ensemble des lignages hématopoïétiques.

📖 9. Niche et régulation des CSH

🔑 Notions clés & Définitions

• Microenvironnement : L’ensemble des éléments autour des cellules qui participent à leur régulation et à la constitution de leurs niches.
• Facteur paracrine : Agit par contact indirect, grâce à la diffusion.

★ À maîtriser

• Le microenvironnement régule :

  • le maintien en quiescence
  • l’activation
  • la différenciation
  • la prolifération

• Les cellules de la niche peuvent maintenir les CSH en dormance en phase G0, et des signaux d’activation peuvent lever leur quiescence selon les besoins de l’organisme.

• L’interaction entre les CSH et les ostéoblastes fait intervenir le récepteur CXCR4 à la surface des CSH et le ligand CXCL12 produit par les ostéoblastes dans la moelle osseuse.

Compléments

• Le microenvironnement des cellules souches comprend : les interactions cellule-cellule, l’apport de nutriments comme le glucose, la concentration en oxygène du tissu, la sécrétion de facteurs paracrines tels que les cytokines et les hormones

• Une diminution du taux de globules rouges peut lever la quiescence des CSH afin de relancer la production de globules rouges.

• Les ostéoblastes qui bordent l’os interagissent directement avec les CSH et contribuent à maintenir leur quiescence.

💡 Astuce mémo

Baisse des globules rouges → levée de quiescence → production de GR.

📖 10. Mobilisation thérapeutique des CSH

★ À maîtriser

• L’inhibition de CXCR4 déstabilise la rétention des CSH dans la moelle osseuse, ce qui permet de les récupérer dans le sang, de les préparer et de les stocker avant leur utilisation pour des greffes.

Compléments

• Le GM-CSF est cité parmi les traitements ou molécules utilisés pour déstabiliser les interactions entre les ostéoblastes et les CSH afin de mobiliser les CSH CD34+ dans le sang.

💡 Astuce mémo

Inhiber CXCR4, récupérer les CSH dans le sang, les préparer puis les greffer.

📖 11. Cellules souches cancéreuses

🔑 Notions clés & Définitions

• Cellules souches cancéreuses : De petits contingents cellulaires au sein d’une tumeur capables de reproduire une tumeur.

★ À maîtriser

• Les cellules souches cancéreuses possèdent des capacités d’auto-renouvellement, de quiescence et de différenciation, et peuvent reproduire une tumeur ayant les caractéristiques de la tumeur initiale.

📌 Dans le modèle hiérarchique, seul un petit contingent de cellules cancéreuses peut s’auto-renouveler et se différencier pour produire une tumeur, tandis que le modèle stochastique admet que toutes les cellules peuvent former une tumeur selon les signaux reçus.

Compléments

• Le modèle stochastique de l’évolution clonale est le modèle retenu pour la suite du cours.

💡 Astuce mémo

Modèle hiérarchique : seules certaines cellules forment une tumeur ; modèle stochastique : toutes peuvent en former une.

📖 12. Tests des cellules souches cancéreuses

★ À maîtriser

• Le test de formation de tumorspheres cultive des cellules en milieu sans sérum supplémenté en facteurs de croissance, puis compte les colonies formées, chacune étant considérée comme issue d’une CSC.

• Les greffes en série peuvent mettre en évidence l’auto-renouvellement des cellules, et les tests in vivo évaluent la différenciation, la tumorigénicité et la dissémination.

Compléments

• Le nombre de tumorspheres permet de quantifier le nombre de CSC dans une tumeur, et le test met en évidence leur tumorigénicité et leur différenciation.

• Dans le test in vivo, les cellules à tester sont greffées à une première souris, puis la tumeur obtenue est greffée à une autre souris pour une greffe en série.

📖 13. Exemple du cancer gastrique

★ À maîtriser

• Le traitement par ATRA diminue le nombre de colonies, ce qui indique qu’il altère les CSC ou induit leur apoptose.

Compléments

• Les tumeurs gastriques peuvent être hétérogènes et contenir un contingent de cellules souches cancéreuses, contrairement à une tumeur homogène composée uniquement de CSC.

• Dans l’exemple du cancer gastrique, un test de tumorspheres est réalisé, puis les cultures sont traitées par ATRA.

📊 Tableaux de synthèse

Modèles des cellules cancéreuses