Fiche de révision : Biologie cellulaire et méthodes d’étude

📋 Plan du Cours

1. Repères et principes cellulaires
2. Composition et diversité du vivant
3. Cycle, différenciation et homéostasie
4. Cellules souches et applications
5. Microscopie et fluorescence
6. Obtention et culture cellulaires
7. Fractionnement et analyses cellulaires
8. Génétique et signalisation cellulaire

📅 Repères chronologiques

1. 1665Robert Hooke observe au microscope des cellules végétales dans des coupes fines de liège.
2. 1838Schleiden et Schwann formulent la théorie selon laquelle la cellule est l’unité structurale et fonctionnelle de tous les êtres vivants.
3. 1838Virchow affirme que les cellules proviennent de cellules préexistantes.
4. 1954Watson et Crick établissent la structure en double hélice de l’ADN et son rôle de molécule de l’hérédité.

📖 1. Repères et principes cellulaires

🔑 Notions clés & Définitions

• Biologie cellulaire : Étude des processus et mécanismes qui gouvernent la division, la différenciation, la survie, la sénescence et la mort des cellules.

💡 Astuce mémo

Hooke observe, Schleiden et Schwann structurent, Virchow fait provenir les cellules de cellules.

📖 2. Composition et diversité du vivant

★ À maîtriser

📌 Les procaryotes sont dépourvus de noyau et peuvent effectuer transcription et traduction de manière couplée, tandis que les eucaryotes possèdent un noyau délimité par une membrane et découplent ces deux processus.

• Les cellules sont constituées d’environ 70 % d’eau et 30 % d’autres constituants, dont 4 % de petites molécules et 96 % de macromolécules.

• Le cours distingue trois domaines du vivant :

  • les Eucaryotes
  • les Bactéries
  • les Archées

Compléments

• Les macromolécules cellulaires citées sont :
  • l’ADN
  • l’ARN
  • les phospholipides
  • les protéines
  • les polysaccharides

📌 Le cytosol désigne la fraction liquide intracellulaire, tandis que le cytoplasme comprend le cytosol et les structures cellulaires hors noyau.

• 🔄 Le modèle d’évolution des macromolécules suit trois étapes :
  1. monde ARN avec des ribozymes
  2. monde ribonucléoprotéique après l’apparition des protéines et de l’ARN polymérase
  3. monde ADN après l’apparition de l’ADN et de l’ADN polymérase

💡 Astuce mémo

Procaryote sans noyau ; eucaryote avec noyau.

📖 3. Cycle, différenciation et homéostasie

🔑 Notions clés & Définitions

• Homéostasie cellulaire : Mécanismes qui maintiennent un nombre constant de cellules dans un tissu et rétablissent cet équilibre après une perturbation par division, mort cellulaire et sénescence.

★ À maîtriser

• Le cycle cellulaire suit généralement l’ordre M, G1, S, G2 puis M ; l’ADN est dupliqué pendant la phase S et la division a lieu pendant la phase M.

Compléments

📌 La caryocinèse correspond à la division du noyau, tandis que la cytocinèse correspond à la division du cytoplasme.

• Des points de contrôle du cycle cellulaire limitent les erreurs de mitose et de division.

• Lorsqu’un lymphocyte reconnaît l’antigène A, sa population s’amplifie par division puis diminue après la perturbation par mort cellulaire.

💡 Astuce mémo

M → G1 → S → G2 → M : l’ADN est copié en S.

📖 4. Cellules souches et applications

🔑 Notions clés & Définitions

• Cellule souche : Cellule non différenciée capable d’autorenouvellement et de produire deux cellules filles différentes, puis de se différencier à la demande sous l’effet de facteurs cellulaires et solubles.

★ À maîtriser

• Les cellules iPS sont obtenues à partir de cellules adultes, notamment des fibroblastes, par ajout des quatre gènes Oct4, Sox2, c-Myc et Klf4 associés à la pluripotence. - Pr Shinya Yamanaka

Compléments

• Les cellules souches embryonnaires humaines sont autorisées en France à titre exceptionnel et leur utilisation est régie par la loi sur la bioéthique.

📌 Le cours indique que les cellules iPS présentent un risque accru de devenir cancéreuses.

• Les applications médicales citées des cellules souches comprennent les greffes de moelle osseuse hématopoïétique et les cultures de cellules souches unipotentes de l’épiderme pour traiter les grands brûlés.

📌 Le clonage thérapeutique par transfert nucléaire est indiqué comme interdit en France dans le cours.

📖 5. Microscopie et fluorescence

🔑 Notions clés & Définitions

• Fluorescence : Émission rapide de lumière par une molécule qui a absorbé une lumière d’excitation ; la lumière émise a une longueur d’onde plus grande que celle d’excitation.

★ À maîtriser

• La microscopie optique a une limite théorique de résolution d’environ 200 nm.

📌 La FRAP analyse la récupération de fluorescence dans une zone photoblanchie, tandis que la FLIP analyse la perte de fluorescence dans une autre zone.

Compléments

• La GFP est une protéine fluorescente verte qui peut rester fluorescente dans des cellules procaryotes et eucaryotes.

• Le FRET peut signaler une proximité de moins de 10 nm entre deux molécules fluorescentes lorsque l’émission de l’une peut exciter l’autre.

• La microscopie confocale élimine les signaux hors foyer à l’aide d’un diaphragme, et des piles de sections en Z peuvent servir à reconstruire une image en trois dimensions.

💡 Astuce mémo

La microscopie optique montre la fluorescence ; l’électronique révèle l’ultrastructure.

📖 6. Obtention et culture cellulaires

★ À maîtriser

• L’obtention de cellules à partir d’un tissu commence par sa dissociation pour former une suspension, notamment à l’aide de trypsine, d’EDTA chélatant le calcium ou d’une légère agitation.

📌 La cytométrie analytique mesure les cellules en flux sans les récupérer, tandis que le FACS les sépare et les trie.

• Les cellules primaires en culture se divisent environ 50 fois avant la sénescence cellulaire, sans être pour autant mortes.

Compléments

• La sélection négative sur support est préférée à la sélection positive, car l’interaction d’un antigène avec un anticorps peut modifier la physiologie des cellules sélectionnées.

• Le FACS peut trier environ 500 cellules par seconde, tandis que la cytométrie analytique peut mesurer de 10 à 100 000 cellules par minute.

• Les cultures cellulaires permettent d’obtenir davantage de cellules, des conditions expérimentales contrôlées, une culture plus homogène et la possibilité de cloner des cellules.

💡 Astuce mémo

Dissocier le tissu, puis séparer les cellules.

📖 7. Fractionnement et analyses cellulaires

★ À maîtriser

• Le fractionnement après lyse peut employer :
  • la filtration
  • la centrifugation
  • la chromatographie
  • l’électrophorèse

📌 Le génome correspond à la séquence des acides nucléiques, le transcriptome aux ARNm et le protéome aux protéines.

Compléments

• La centrifugation différentielle sépare progressivement les constituants selon principalement leur taille et leur forme ; après plusieurs centrifugations, les débris sont retirés et le surnageant final contient le cytosol.

• En centrifugation à l’équilibre sur gradient de saccharose, les éléments les plus denses se placent plus bas ; les peroxysomes sont indiqués à 1,23 g/cm3 et les lysosomes à 1,12 g/cm3.

• Le séquençage complet d’un génome humain avec une couverture de 30× peut être réalisé en moins de 24 heures par séquençage haut débit selon le cours.

📖 8. Génétique et signalisation cellulaire

🔑 Notions clés & Définitions

• Complémentation : Restauration d’une fonction grâce à un allèle dominant.
• Transgenèse : Introduction d’un nouveau gène dans une cellule ou un organisme, notamment pour exprimer une protéine étrangère ou inactiver un gène endogène par intégration ciblée.

★ À maîtriser

• 🔄 La signalisation cellulaire suit la chaîne :
  1. émission d’un ligand
  2. transport sur une distance variable
  3. réception par un récepteur
  4. réponse cellulaire

📌 La signalisation endocrine utilise des hormones, la signalisation paracrine agit localement, la signalisation autocrine agit sur la cellule émettrice, la signalisation synaptique transmet un signal à travers la fente synaptique et la signalisation juxtacrine dépend d’un contact direct.

Compléments

📌 L’invalidation ou knockout remplace le gène endogène par un gène inactif, tandis que le knockdown est également cité comme méthode d’inactivation d’un gène.

• La fixation d’un ligand réorganise un récepteur à activité tyrosine kinase (RTK) et déclenche sa trans-autophosphorylation ; les récepteurs de cytokines transmettent leur signal par la voie JAK-STAT.

💡 Astuce mémo

Signal : émission → transport → réception → réponse.