Fiche de révision : Biologie cellulaire et reprogrammation

📋 Plan du Cours

1. Organisation du noyau et nucléoles
2. Pores nucléaires et transcription
3. Réplication et division cellulaire
4. Cycle cellulaire et contrôles
5. Cytosquelette et filaments
6. Mesures et tests statistiques
7. Reprogrammation et pluripotence
8. Compartiments et trafic protéique
9. Réticulum endoplasmique et protéines
10. Golgi et lysosomes
11. Transport membranaire
12. Communication cellulaire
13. Cellules souches et différenciation
14. Adhérence et jonctions cellulaires
15. Motilité et matrice extracellulaire
16. Méthodes de validation expérimentale

📖 1. Organisation du noyau et nucléoles

🔑 Notions clés & Définitions

• Membrane nucléaire : Enveloppe double séparant le noyau du cytoplasme et comprenant une membrane interne et une membrane externe.
• Lamine : Protéine organisée en maille qui soutient la membrane nucléaire.

★ À maîtriser

• Les cellules eucaryotes possèdent généralement un noyau, contrairement aux bactéries, mais les globules rouges humains sont dépourvus de noyau.

• Les nucléoles sont des lieux très actifs de transcription de l’ADN en ARN ribosomique, qui est ensuite exporté vers le cytoplasme au sein des sous-unités ribosomiques pour participer à la traduction protéique.

Compléments

• Certaines fibres musculaires possèdent plusieurs noyaux, car elles résultent de la fusion de plusieurs cellules.

• La membrane nucléaire externe est en continuité avec le réticulum endoplasmique.

📖 2. Pores nucléaires et transcription

★ À maîtriser

• Les pores nucléaires assurent des échanges bidirectionnels entre noyau et cytoplasme, notamment l’export de l’ARN et l’import de sels, de nucléotides et de protéines nécessaires à la réplication et à la transcription.

📌 Les petites molécules traversent les pores nucléaires passivement, tandis que les grosses molécules empruntent des échanges actifs régulés par des protéines cargo ou par le pore.

• Les quatre bases de l’ADN sont :

  • Adénine
  • Thymine
  • Guanine
  • Cytosine

• Lors de la transcription, des facteurs de transcription reconnaissent et se fixent sur le gène d’intérêt, recrutent notamment des polymérases, puis celles-ci synthétisent un ARN complémentaire de l’ADN qui est exporté vers le cytoplasme.

• Lors de la traduction, chaque codon de trois bases de l’ARN correspond à un acide aminé, et l’enchaînement des acides aminés forme une protéine.

Compléments

• 🔄 L’export de l’ARN suit ces étapes :

  1. Les protéines exportatrices prennent en charge l’ARN.
  2. Les protéines exportatrices sont reconnues au pore nucléaire.
  3. L’ARN est exporté dans le cytoplasme et les protéines exportatrices s’en dissocient.
  4. L’ARN peut être traduit par les ribosomes du réticulum endoplasmique.

• L’ADN humain mesure environ 2,5 m lorsqu’il est étiré, alors que le noyau mesure environ 5 micromètres de diamètre.

💡 Astuce mémo

Facteur de transcription → polymérase → ARN exporté

📖 3. Réplication et division cellulaire

📝 Points essentiels

• Avant la division cellulaire, l’ADN est répliqué afin que les deux cellules filles reçoivent chacune une copie de l’information génétique.

• Pendant la mitose, l’ADN se condense en chromosomes et les lamines se déstabilisent, ce qui désorganise l’enveloppe nucléaire.

• Lors de la mitose, les chromosomes se séparent et migrent vers les pôles, puis les lamines se restabilisent et reconstituent la maille autour de laquelle se forme chaque enveloppe nucléaire avant la séparation des cellules filles.

• Le fuseau mitotique est constitué de microtubules qui s’attachent aux chromosomes et permettent leur alignement puis la séparation de leurs chromatides vers les pôles opposés.

💡 Astuce mémo

Condensation → alignement → séparation → reconstitution

📖 4. Cycle cellulaire et contrôles

🔑 Notions clés & Définitions

• Cycle cellulaire : Ensemble des phénomènes qui aboutissent à la division d’une cellule en deux cellules filles et à la multiplication de son information génétique.

★ À maîtriser

📌 Le cycle cellulaire comprend la mitose, qui correspond à la division de la cellule, et l’interphase, qui est le temps séparant deux divisions.

• Pendant l’interphase, la cellule grossit, duplique son ADN et vérifie que cette duplication est complète.

• La mitose comprend la condensation de la chromatine, la disparition de l’enveloppe nucléaire, l’alignement des chromosomes sur la plaque métaphasique, la séparation des chromatides vers les pôles et l’individualisation des membranes des cellules filles.

• Les conditions nécessaires à la division sont :

  • Une croissance suffisante de la cellule
  • La réparation de l’ADN
  • La duplication de l’ADN
  • La mise en place correcte du fuseau mitotique

Compléments

• Une cellule qui manque de nutriments ou de facteurs de croissance peut ne pas entrer en cycle cellulaire et rester en phase de repos G0.

• La division cellulaire est un auto-renouvellement non sexué qui produit deux cellules filles identiques sans apport de matériel génétique extérieur.

💡 Astuce mémo

Défaut de p53 → apoptose empêchée → prolifération

📖 5. Cytosquelette et filaments

★ À maîtriser

• Le contrôle du cycle cellulaire repose sur des protéines seules ou réunies en complexes macromoléculaires, qui vérifient notamment la croissance cellulaire et l’état de l’ADN.

• La protéine p53 est un facteur de transcription produit dans le cytosol, puis transporté dans le noyau où il se fixe sur des promoteurs géniques.

• La protéine p53 régule la transcription des gènes de réparation de l’ADN, des gènes du cycle cellulaire et des gènes contrôlant la mort cellulaire.

• Des mutations de p53 peuvent empêcher l’activation de l’apoptose et la régulation du cycle cellulaire, favorisant la prolifération cancéreuse et la résistance à la chimiothérapie et à la radiothérapie.

Compléments

📌 L’entrée dans le cycle cellulaire est irréversible, même si les facteurs de croissance disparaissent ensuite.

• Une mutation du récepteur des facteurs de croissance peut maintenir celui-ci constamment activé et permettre à une cellule cancéreuse d’entrer en cycle sans facteurs de croissance.

• Des anomalies des points de contrôle peuvent permettre la division sans réparation complète de l’ADN et produire des cellules filles au patrimoine génétique mal réparti.

📌 Une division cellulaire asymétrique peut produire des cellules filles de tailles différentes ou ayant des contenus intracellulaires différents, notamment des ARNm différents et donc une expression protéique différente.

💡 Astuce mémo

Actine fine et dynamique, microtubules épais, filaments intermédiaires stables

📖 6. Mesures et tests statistiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Cytosquelette : Assemblage dynamique de protéines qui donne sa forme à la cellule et à sa membrane.

★ À maîtriser

• Les trois familles de filaments sont :

  • Les microfilaments d’actine
  • Les microtubules
  • Les filaments intermédiaires

• Le cytosquelette contribue à la forme cellulaire, au transport, aux mouvements cellulaires et à la contraction musculaire, au transfert des ARNm ainsi qu’à l’activité enzymatique et métabolique.

Compléments

• Les filaments intermédiaires sont présents autour du noyau, dans le noyau où la chromatine se condense sur eux, dans le cytoplasme et en réseau sous-membranaire.

• Les types de filaments intermédiaires varient selon le type cellulaire et peuvent aider à déterminer l’origine d’une cellule cancéreuse.

📖 7. Reprogrammation et pluripotence

🔑 Notions clés & Définitions

• p-value : Probabilité que la différence observée entre des groupes soit expliquée uniquement par leur variabilité propre, sous l’hypothèse posée par le test.

📝 Points essentiels

• Les expériences biologiques présentent une variabilité intrinsèque liée à la complexité du vivant et une variabilité extrinsèque liée notamment aux mesures et à l’échantillonnage.

• Les moyennes résument les observations par une valeur, tandis que les écarts-types rendent compte de leur dispersion.

• Une p-value inférieure à 5 % est considérée comme une significativité statistique.

💡 Astuce mémo

OKMS : Oct4, Klf4, Myc, Sox2

📖 8. Compartiments et trafic protéique

🔑 Notions clés & Définitions

• Transcriptome : Combinaison des gènes exprimés par une cellule.

★ À maîtriser

• Les facteurs de transcription activent spécifiquement des ensembles de gènes, et la combinaison de gènes exprimés différencie les types cellulaires.

• La reprogrammation cellulaire vise à faire exprimer à une cellule adulte des gènes associés à une cellule pluripotente, ce qui éteint certains gènes somatiques et réactive des gènes pluripotents.

• Les quatre facteurs de reprogrammation sont :

  • Oct4
  • Klf4
  • Myc
  • Sox2

Compléments

• Dans la méthode décrite, des ARNm synthétiques codant les facteurs de reprogrammation sont encapsulés dans des vésicules lipidiques qui fusionnent avec la membrane plasmique et libèrent leur contenu dans le cytoplasme.

• Les changements du transcriptome induits par la reprogrammation sont stabilisés par de nouvelles boucles de contrôle, maintenant la cellule dans un état de pluripotence induite.

💡 Astuce mémo

Cytosol → RE → Golgi → vésicules → membrane

📖 9. Réticulum endoplasmique et protéines

★ À maîtriser

• Les cellules eucaryotes séparent des réactions enzymatiques antagonistes au moyen de complexes macromoléculaires ou de compartiments endomembranaires.

• Le transport entre compartiments cellulaires est assuré par des vésicules et peut se faire dans les deux sens, notamment entre le réticulum endoplasmique et la membrane plasmique.

• Les protéines commencent leur synthèse sur des ribosomes à partir de l’ARNm, puis leur chaîne d’acides aminés se replie et peut subir des modifications après la sortie du ribosome.

📌 Les protéines destinées au cytoplasme ou à certains compartiments sont entièrement synthétisées dans le cytoplasme, tandis que celles destinées à la membrane plasmique ou à l’extérieur de la cellule commencent dans le cytoplasme puis poursuivent leur synthèse dans le réticulum endoplasmique.

Compléments

• Les compartiments cités comprennent :

  • Le cytosol
  • Le réticulum endoplasmique
  • L’appareil de Golgi
  • Les endosomes
  • Les lysosomes
  • La membrane plasmique

• Dans l’expérience de Georges Palade, des acides aminés radioactifs ajoutés à des cellules pancréatiques ont permis de suivre les protéines du cytosol vers le réticulum endoplasmique, l’appareil de Golgi, les vésicules puis la membrane.

💡 Astuce mémo

REG avec ribosomes, REL sans ribosomes

📖 10. Golgi et lysosomes

★ À maîtriser

📌 Le réticulum endoplasmique rugueux porte des ribosomes visibles, tandis que le réticulum endoplasmique lisse n’en porte pas.

• Le réticulum endoplasmique est un compartiment membranaire en continuité avec la membrane nucléaire.

Compléments

• Dans le réticulum endoplasmique, une séquence hydrophobe est prise en charge à la sortie du ribosome, la protéine se replie en trois dimensions, reçoit des sucres et est soumise à un contrôle qualité enzymatique.

• Une protéine mal fabriquée dans le réticulum endoplasmique peut en être extraite puis recyclée dans le cytoplasme en sucres et en acides aminés.

• Le réticulum endoplasmique lisse assemble des lipides membranaires, stocke le calcium et porte des enzymes capables de modifier certaines substances chimiques, notamment des médicaments.

• Dans la mucoviscidose, environ 90 % de la protéine CFTR est mal repliée, contre environ 70 % en situation normale.

• L’absence de protéine CFTR fonctionnelle réduit le transport des ions chlorure et contribue à la mauvaise hydratation du glycocalyx des cellules pulmonaires, ce qui épaissit le mucus.

💡 Astuce mémo

Entrée de H+ → baisse du pH → activation des enzymes lysosomales

📖 11. Transport membranaire

★ À maîtriser

• L’appareil de Golgi poursuit la maturation des protéines par l’ajout ou la modification de sucres, l’ajout de phosphates et de nouveaux repliements.

• Les destinations possibles des protéines après le Golgi sont :

  • La membrane plasmique
  • L’extérieur de la cellule
  • Les endosomes
  • Les lysosomes

• Les lysosomes sont des vésicules cytoplasmiques contenant des enzymes digestives capables de dégrader protéines, sucres, lipides, acides nucléiques et organites.

• Une ATPase à protons lysosomale fait entrer des ions H+ dans la lumière du lysosome, abaisse son pH et active les enzymes de digestion.

Compléments

• Les éléments dégradés dans les lysosomes sont relâchés dans le cytoplasme et peuvent être réutilisés, tandis que des fibres minérales non digestibles comme l’amiante peuvent s’y accumuler et devenir toxiques.

• Un déficit en alpha1-antitrypsine peut empêcher son bon repliement et son transfert du réticulum endoplasmique vers le Golgi, entraînant son accumulation dans le foie, un faible taux circulant, une destruction alvéolaire aggravée par le tabac et une cirrhose liée à l’accumulation hépatique.

💡 Astuce mémo

Gradient descendant sans énergie, gradient remonté avec énergie

📖 12. Communication cellulaire

★ À maîtriser

📌 Le transport passif suit le gradient de concentration sans dépense d’énergie, tandis que le transport actif déplace des molécules contre leur gradient en nécessitant de l’énergie.

• Le transport actif peut utiliser l’hydrolyse de l’ATP ou le couplage au transport passif d’une autre molécule.

Compléments

• Les échanges passifs peuvent être facilités par des canaux ou des transporteurs, et l’oxygène peut traverser directement la bicouche lipidique.

• Les canaux membranaires sont sélectifs et peuvent s’ouvrir ou se fermer en réponse à une différence de potentiel, à un ligand ou à une modification mécanique.

• La pompe Na-K ATPase utilise l’ATP pour transporter sodium et potassium contre leurs gradients, et la digitoxine en est un inhibiteur.

• Les protéines destinées au noyau y entrent par les pores nucléaires grâce à une séquence particulière, tandis que les protéines mitochondriales traversent successivement les membranes mitochondriales.

• Les vésicules COPII facilitent le transport antérograde du réticulum endoplasmique vers le Golgi, tandis que les vésicules COPI favorisent le transport rétrograde du Golgi vers le réticulum endoplasmique.

📖 13. Cellules souches et différenciation

★ À maîtriser

• La communication cellulaire commence par la réception d’un signal par un récepteur, se poursuit par sa transduction et une cascade intracellulaire, puis produit une réponse réalisée par un effecteur.

📌 Les cellules communiquent par contact rapproché, paracrinie entre cellules d’un même organe ou environnement, et endocrinie par des hormones; la communication entre cellules musculaires ou nerveuses peut emprunter une synapse.

📌 Les récepteurs nucléaires activés par des signaux solubles peuvent agir comme facteurs de transcription, tandis que les récepteurs couplés aux protéines G activent des protéines membranaires qui recrutent une enzyme productrice d’un second messager.

Compléments

📌 La signalisation cellulaire peut modifier rapidement l’activité d’une enzyme ou produire un effet tardif en modifiant l’expression d’un gène.

• Les catégories de signaux chimiques citées sont :

  • Les gaz comme le NO
  • Les peptides
  • Les protéines
  • Les lipides
  • Les hormones

• Un récepteur enzymatique comprend un domaine extracellulaire de reconnaissance du signal, un domaine transmembranaire et un domaine intracellulaire à activité enzymatique.

📖 14. Adhérence et jonctions cellulaires

★ À maîtriser

• Après le stade de huit cellules, les signaux des cellules maternelles et de l’environnement embryonnaire, notamment la position des cellules, modulent les facteurs de transcription et contribuent à la différenciation.

• Dans le follicule pileux, les cellules souches épithéliales identifiées par la kératine 19 sont situées dans deux réservoirs de la gaine externe, un réservoir supérieur et un réservoir inférieur.

• 🔄 La régénération du follicule suit cet ordre :

  1. Le réservoir inférieur remonte pendant la dégénérescence du follicule.
  2. Il rejoint le réservoir supérieur.
  3. Les cellules souches dialoguent avec la papille dermique.
  4. La néomorphogenèse du follicule est amorcée.

📌 Les holoclones correspondent à des cellules capables de s’amplifier, tandis que les méroclones et les paraclones correspondent à des clones plus différenciés, de taille moyenne ou petite respectivement.

Compléments

• Dans les premières divisions embryonnaires, des ARN maternels présents dans l’ovule sont traduits en protéines avant que la production de facteurs de transcription par l’embryon commence vers le stade de huit cellules.

• Les cellules souches pluripotentes induites sont obtenues par reprogrammation, tandis que les cellules souches embryonnaires soulèvent des problèmes éthiques et les cellules induites des difficultés techniques.

• Le réservoir supérieur du follicule pileux est associé à CD200, tandis que le réservoir inférieur est associé à CD34 et à une niche hypoxique.

• Les cellules souches somatiques de la gaine conjonctive du follicule pileux peuvent redonner des os, des tissus adipeux, des nerfs et des cellules de Schwann.

• Avec l’alopécie et le vieillissement du follicule pileux, la proportion d’holoclones diminue tandis que celle des méroclones et des paraclones augmente.

📖 15. Motilité et matrice extracellulaire

🔑 Notions clés & Définitions

• Molécule d’adhérence : Protéine transmembranaire dont le domaine extracellulaire reçoit un signal, le domaine transmembranaire l’ancre à la membrane et le domaine intracellulaire transmet le signal à la cellule.

★ À maîtriser

📌 L’adhérence cellule-cellule relie deux cellules, tandis que l’adhérence cellule-matrice relie une cellule à la matrice extracellulaire.

• Les jonctions regroupent des molécules d’adhérence et des protéines cytoplasmiques sous-membranaires, assurant la cohésion intercellulaire et le lien avec le cytosquelette.

📌 Les desmosomes renforcent la cohésion entre cellules dans les épithéliums et le muscle cardiaque, tandis que les hémidesmosomes relient une cellule à la matrice extracellulaire, notamment à la lame basale.

Compléments

• Des desmosomes dysfonctionnels peuvent entraîner une perte de cohésion tissulaire et la formation de bulles dans l’épidermolyse bulleuse.

• Lors d’une inflammation, des médiateurs induisent l’expression de molécules d’adhérence par les cellules endothéliales, permettant aux globules blancs de s’attacher à la paroi vasculaire et d’y effectuer un roulement.

💡 Astuce mémo

Signal → remodelage de l’actine → protrusion et déplacement

📖 16. Méthodes de validation expérimentale

🔑 Notions clés & Définitions

• Motilité cellulaire : Capacité d’une cellule à effectuer activement un déplacement spontané ou stimulé.
• Matrice extracellulaire : Réseau organisé de macromolécules sécrétées par les cellules, qui remplit l’espace entre elles et contribue à l’organisation des tissus.

★ À maîtriser

• La motilité cellulaire implique un signal chimique, des molécules porteuses du signal dans la matrice extracellulaire et un récepteur membranaire, puis une réorganisation du cytosquelette, notamment de l’actine.

• Pendant la migration, une protrusion appelée lamellipode se forme à l’avant avec des contacts focaux qui ancrent la cellule à la matrice, tandis que des adhérences se relâchent à l’arrière pour permettre l’avancée.

• La matrice extracellulaire assure des propriétés mécaniques, régule la diffusion des molécules et participe à la signalisation, à la différenciation, à la migration et à la prolifération cellulaires.

• La composition de la matrice extracellulaire varie selon le tissu et se remodèle de manière adaptative par un équilibre entre synthèse et dégradation des molécules.

Compléments

📌 Les cellules cancéreuses migrent activement pour former des métastases, mais leur déplacement dans la circulation sanguine est passif.

• La matrice extracellulaire contient environ 70 % d’eau et de sels ainsi que des molécules circulantes, des polysaccharides et des protéines structurales.

• Le collagène représente environ 25 % des protéines de l’organisme et s’organise en trois chaînes alpha formant une superhélice, puis en bâtonnets de tropocollagène, fibrilles, fibres et faisceaux.

• L’élastine détermine une grande part des propriétés élastiques des tissus, qui peuvent s’étirer sous tension puis revenir à leur état condensé au repos.

• Les glycoprotéines adhérentes servent de ciment entre les molécules de la matrice extracellulaire et entre la matrice et les cellules, notamment lors de la cicatrisation.

• Les métalloprotéinases matricielles sont peu présentes dans les tissus sains, mais participent fortement au remodelage de la matrice lors de réparations et de phénomènes pathologiques.

• Lors d’une plaie cutanée, les métalloprotéinases dégradent la lame basale et la matrice lésées afin de permettre leur reconstitution.

• Les cellules cancéreuses peuvent produire des métalloprotéinases qui dégradent la matrice et facilitent leur détachement et leur migration métastatique.

• Le scorbut, dû à un déficit en vitamine C nécessaire à la synthèse du collagène, fragilise la matrice extracellulaire et peut provoquer des anomalies vasculaires, des hémorragies et des lésions buccales.

💡 Astuce mémo

Isoler l’ARN → rétrotranscrire → amplifier le gène ciblé

📊 Tableaux de synthèse

Comparaison des familles de filaments