Sommaire détaillé - Nouveautés des diffusés Lavoisier
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ix Sommaire détaillé Chapitre 1 Cellules et génomes 1 CARACTÈRE UNIVERSEL DES CELLULES SUR LA TERRE 1 Toutes les cellules stockent leur information génétique à l’aide du même code chimique linéaire (ADN) Toutes les cellules reproduisent leur information génétique par polymérisation à partir d’une matrice Toutes les cellules transcrivent des portions de leur information génétique en une même forme intermédiaire (ARN) Toutes les cellules utilisent les protéines comme catalyseurs Toutes les cellules traduisent l’ARN en protéines de la même manière Le fragment d’information génétique correspondant à une protéine est un gène La vie a besoin d’énergie libre Toutes les cellules sont des usines biochimiques qui utilisent les mêmes unités de construction moléculaire Toutes les cellules sont entourées d’une membrane plasmique à travers laquelle doivent passer les nutriments et les déchets Une cellule vivante a besoin de moins de 500 gènes pour exister Résumé 9 10 11 DIVERSITÉ DES GÉNOMES ET ARBRE PHYLOGÉNÉTIQUE 11 Les cellules peuvent utiliser une grande variété de sources d’énergie libre Certaines cellules fixent l’azote et le gaz carbonique pour les autres La plus grande diversité biochimique est trouvée parmi les cellules procaryotes L’arbre de la vie comporte trois branches primitives : les bactéries, les archéobactéries et les eucaryotes Certains gènes évoluent rapidement ; d’autres sont très conservés La plupart des bactéries et des archéobactéries ont 1 000 à 6 000 gènes Les nouveaux gènes proviennent de gènes préexistants Les duplications de gènes donnent naissance à des familles de gènes apparentés dans une même cellule Les gènes peuvent être transférés d’un organisme à un autre, au laboratoire et dans la nature Les échanges horizontaux des informations génétiques dans une espèce sont introduits par la reproduction sexuée La fonction d’un gène peut souvent être déduite de sa séquence Plus de 200 familles de gènes sont communes aux trois embranchements primaires de l’arbre phylogénétique Les mutations révèlent les fonctions des gènes Les biologistes moléculaires se sont focalisés sur l’étude d’E. coli Résumé 2 3 4 5 6 7 8 8 12 13 14 15 16 17 18 19 21 22 22 23 23 24 26 INFORMATION GÉNÉTIQUE CHEZ LES EUCARYOTES 26 Les Les Les Les Les 26 27 30 30 cellules eucaryotes étaient peut-être, à l’origine, des prédateurs cellules eucaryotes modernes ont évolué à partir d’une symbiose eucaryotes ont des génomes hybrides génomes des eucaryotes sont gros génomes des eucaryotes sont riches en séquences d’ADN régulatrices Le génome définit le programme de développement multicellulaire De nombreux eucaryotes vivent sous forme d’une cellule isolée : les protistes Une levure sert de modèle eucaryote minimal Les niveaux d’expression de tous les gènes d’un organisme peuvent être contrôlés simultanément Pour comprendre les cellules, nous avons besoin de mathématiques, d’ordinateurs et d’informations quantitatives Arabidopsis a été choisi parmi 300 000 espèces comme modèle végétal PROFESSEUR_liminaires.indd ix 31 31 32 33 34 35 36 Le monde des cellules animales est représenté par un ver, une mouche, une souris et l’homme Les études sur Drosophila ont fourni la clé du développement des vertébrés Le génome des vertébrés est le produit de duplications répétées La redondance génétique est un problème pour les généticiens mais offre plus d’opportunités aux organismes qui évoluent La souris sert de modèle pour les mammifères Les humains permettent de décrire leurs propres particularités Nous sommes tous différents dans le détail Résumé Problèmes Références 36 37 38 39 39 40 41 42 42 44 Chapitre 2 Chimie et biosynthèse cellulaires 45 COMPOSANTS CHIMIQUES DE LA CELLULE 45 Les cellules sont constituées d’un petit nombre de types d’atomes Les électrons les plus externes déterminent les interactions entre les atomes Les liaisons covalentes se forment par partage d’électrons Il y a différents types de liaisons covalentes Un atome se comporte souvent comme s’il avait un rayon fixe L’eau est la substance la plus abondante dans les cellules Certaines molécules polaires sont des acides ou des bases Quatre types d’interactions non covalentes facilitent le rapprochement des molécules dans la cellule Une cellule est formée de composés du carbone Les cellules contiennent quatre familles principales de petites molécules organiques Les sucres fournissent une source d’énergie pour la cellule et sont les sous-unités des polysaccharides Les acides gras sont des composants de la membrane cellulaire, mais aussi une source d’énergie Les acides aminés sont les sous-unités des protéines Les nucléotides sont les sous-unités de l’ADN et de l’ARN La chimie de la cellule est dominée par des macromolécules aux propriétés remarquables Des liaisons non covalentes définissent à la fois la forme précise d’une macromolécule et sa liaison aux autres molécules Résumé 45 CATALYSE ET UTILISATION DE L’ÉNERGIE PAR LES CELLULES Le métabolisme cellulaire est organisé par les enzymes L’ordre biologique est rendu possible par la libération par la cellule d’énergie thermique Les organismes photosynthétiques utilisent la lumière solaire pour synthétiser les molécules organiques Les cellules obtiennent l’énergie par oxydation des molécules organiques Oxydation et réduction mettent en jeu un transfert d’électrons Les enzymes abaissent les barrières qui bloquent les réactions chimiques Comment les enzymes trouvent-elles leurs substrats : la très grande rapidité des mouvements moléculaires La variation d’énergie libre d’une réaction détermine si celle-ci est possible La concentration en réactifs influence la variation d’énergie libre et la direction de la réaction 46 48 50 51 51 52 53 54 55 55 58 59 61 62 63 65 65 66 66 68 70 71 72 74 75 76 22/11/10 16:29 x Sommaire détaillé Pour les réactions séquentielles, les valeurs de ΔG° s’ajoutent Des molécules de transport activées sont indispensables à la biosynthèse La formation d’un transporteur enrichi en énergie est couplée à une réaction énergétiquement favorable L’ATP est la molécule de transport d’énergie la plus utilisée L’énergie stockée dans l’ATP est souvent utilisée pour unir deux molécules NADH et NADPH sont d’importants transporteurs d’électrons Il existe beaucoup d’autres molécules de transport dans les cellules La synthèse des polymères biologiques nécessite un apport d’énergie Résumé COMMENT LES CELLULES TIRENT LEUR ÉNERGIE DES ALIMENTS La glycolyse est une voie métabolique centrale de production d’ATP La fermentation permet de produire de l’ATP en l’absence d’oxygène La glycolyse illustre la manière dont les enzymes couplent l’oxydation au stockage de l’énergie Les organismes stockent les molécules alimentaires dans des réservoirs spéciaux Entre les repas, la plupart des cellules animales tirent leur énergie des acides gras Les sucres et les graisses sont dégradés en acétyl CoA dans les mitochondries Le cycle de l’acide citrique génère du NADH par oxydation des groupements acétyle en CO2 Le transport d’électrons entraîne la synthèse de la majorité de l’ATP dans la plupart des cellules Les acides aminés et les nucléotides font partie du cycle de l’azote Le métabolisme est organisé et régulé Résumé Problèmes Références Chapitre 3 Protéines 77 78 79 80 81 82 83 84 87 88 88 89 91 91 95 96 97 100 100 101 103 103 125 FORME ET STRUCTURE DES PROTÉINES 125 La forme d’une protéine est spécifiée par sa séquence d’acides aminés Les protéines se replient en une conformation de plus faible énergie L’hélice α et le feuillet β sont des types de repliement fréquents Les domaines protéiques sont des unités modulaires à partir desquelles des protéines plus grandes sont construites Parmi les nombreuses chaînes polypeptidiques possibles, peu seront utiles aux cellules Les protéines peuvent être classées en un grand nombre de familles Les recherches de séquences homologues permettent d’identifier les proches parents Certains domaines protéiques participent à de nombreuses protéines différentes Certaines paires de domaines sont retrouvées associées dans de nombreuses protéines Le génome humain code un ensemble complexe de protéines et en a révélé beaucoup que nous ne connaissions pas encore Les grosses molécules protéiques contiennent souvent plus d’une chaîne polypeptidique Certaines protéines forment de longs filaments hélicoïdaux De nombreuses molécules protéiques ont des forme allongées et fibreuses De nombreuses protéines contiennent une quantité étonnamment grande de chaînes polypeptidiques non structurées Les protéines extracellulaires sont souvent stabilisées par des liaisons transversales covalentes Les protéines servent souvent de sous-unités d’assemblage pour former des grosses structures Beaucoup de structures cellulaires peuvent s’auto-assembler La formation de structures biologiques complexes est souvent facilitée par des facteurs d’assemblage Résumé 125 130 131 142 FONCTION DES PROTÉINES 152 Toutes les protéines se lient à d’autres molécules La conformation de la surface d’une protéine détermine son activité chimique La comparaison des séquences entre les membres d’une famille de protéines fait apparaître des sites de liaison décisifs Les protéines se lient à d’autres protéines par l’intermédiaire de plusieurs types d’interfaces Les sites de liaison aux anticorps sont particulièrement capables d’adaptation 153 PROFESSEUR_liminaires.indd x 135 136 137 139 140 La force de liaison est mesurée par la constante d’équilibre Les enzymes sont de puissants catalyseurs hautement spécifiques La liaison au substrat est la première étape de la catalyse enzymatique Les enzymes accélèrent les réactions en stabilisant sélectivement les états de transition Les enzymes peuvent utiliser simultanément la catalyse acide et la catalyse basique Le lysozyme illustre le fonctionnement d’une enzyme De petites molécules fortement liées ajoutent des fonctions supplémentaires aux protéines Des tunnels moléculaires canalisent les substrats dans les enzymes comportant plusieurs sites catalytiques Les complexes multienzymatiques permettent d’accélérer le métabolisme cellulaire La cellule régule l’activité catalytique de ses enzymes Les enzymes allostériques possèdent deux sites de liaison, voire plus, qui interagissent Deux ligands dont les sites de liaison sont couplés modifient réciproquement la liaison l’un de l’autre L’assemblage symétrique de protéines forme des transitions allostériques coopératives La structure atomique détaillée de la transition allostérique de l’aspartate transcarbamylase est connue De nombreuses modifications de forme des protéines sont produites par phosphorylation Une cellule eucaryote contient une grande collection de protéinekinases et de protéine-phosphatases La régulation des protéine-kinases Cdk et Src montre qu’une protéine peut fonctionner comme une puce électronique Les protéines qui se lient au GTP et l’hydrolysent sont des régulateurs cellulaires ubiquitaires Des protéines de régulation contrôlent l’activité des protéines de liaison au GTP en déterminant la liaison d’un GDP ou d’un GTP Les mouvements de grosses protéines peuvent être produits par de petites protéines Les protéines motrices entraînent de grands déplacements dans les cellules Des transporteurs liés à la membrane utilisent de l’énergie pour pomper des molécules à travers la membrane Les protéines forment souvent de gros complexes qui fonctionnent comme des machines protéiques Les machines protéiques avec leurs parties interchangeables utilisent efficacement l’information génétique L’activation des machines protéiques suppose souvent de les positionner sur des sites spécifiques De nombreuses protéines sont contrôlées par des modifications covalentes sur plusieurs sites Un réseau complexe d’interactions protéiques est à la base de la fonction cellulaire Résumé Problèmes Références 157 158 159 160 160 161 166 167 168 169 171 171 172 173 175 176 177 178 179 179 181 182 184 184 185 186 187 190 191 193 141 142 143 Chapitre 4 ADN, chromosomes et génomes 195 STRUCTURE ET FONCTION DE L’ADN 197 147 Une molécule d’ADN est composée de deux chaînes complémentaires de nucléotides La structure de l’ADN fournit un mécanisme à l’hérédité Chez les eucaryotes, l’ADN est enfermé dans le noyau cellulaire Résumé 197 199 200 201 148 149 L’ADN CHROMOSOMIQUE ET SON EMPAQUETAGE DANS LA FIBRE DE CHROMATINE 202 145 146 151 152 154 155 156 156 L’ADN eucaryote est empaqueté dans un ensemble de chromosomes Les chromosomes contiennent de longues files de gènes La séquence des nucléotides du génome humain indique comment les gènes sont disposés chez l’homme La comparaison des génomes révèle des séquences d’ADN conservées au cours de l’évolution Les chromosomes se présentent sous différents états au cours de la vie d’une cellule Chaque molécule d’ADN qui forme un chromosome linéaire doit contenir un centromère, deux télomères et des origines de réplication Les molécules d’ADN sont très condensées dans les chromosomes Les nucléosomes sont les unités de structure de base des chromosomes eucaryotes 202 204 205 207 208 209 210 211 22/11/10 16:29 Sommaire détaillé La structure du cœur du nucléosome révèle le mode d’empaquetage de l’ADN Les nucléosomes ont une structure dynamique et sont souvent soumis à des modifications catalysées par des complexes de remodelage de la chromatine dépendant de l’ATP Les nucléosomes sont généralement compactés en une fibre de chromatine compacte Résumé RÉGULATIONS DE LA STRUCTURE CHROMATINIENNE xi 212 Chapitre 5 Réplication, réparation et recombinaison de l’ADN 215 CONSERVATION DES SÉQUENCES ADN 263 263 216 218 Les taux de mutations sont extrêmement bas Un taux bas de mutations est nécessaire à la vie telle que nous la connaissons Résumé 265 265 MÉCANISMES DE RÉPLICATION DE L’ADN 266 219 Quelques anciens mystères se rapportant à la structure de la chromatine L’hétérochromatine est hautement organisée et exceptionnellement résistante à l’expression des gènes Les histones du cœur subissent des modifications covalentes sur de nombreux sites différents La chromatine acquiert une variété supplémentaire par l’insertion de petites quantités d’histones modifiées sur des sites particuliers Les modifications covalentes et les variants d’histones agissent de concert pour produire un « code des histones » qui aide à déterminer les fonctions biologiques Un complexe de protéines de lecture et d’écriture du code peut propager des modifications précises de la chromatine, sur de longues distances, le long d’un chromosome Des séquences garde-fou bloquent la propagation des complexes de lecture-écriture et séparent deux domaines de proximité de la chromatine La chromatine des centromères révèle comment les histones modifiées peuvent créer des structures particulières Les structures chromatiniennes peuvent être directement transmises par hérédité La structure des édifices chromatiniens ajoute des particularités uniques aux fonctions des chromosomes d’eucaryotes Résumé 231 233 STRUCTURE GLOBALE DES CHROMOSOMES 233 Les chromosomes sont repliés en larges boucles de chromatine Les chromosomes polytènes sont exceptionnellement utiles pour visualiser la structure de la chromatine Il existe de nombreuses formes d’hétérochromatine Les boucles de chromatine se décondensent quand les gènes qu’elles contiennent sont exprimés La chromatine peut se déplacer vers des sites particuliers du noyau afin d’altérer l’expression de ses gènes Un réseau de macromolécules forme un ensemble d’environnements biochimiques distincts à l’intérieur du noyau Les chromosomes mitotiques sont formés à partir de la chromatine dans son état le plus condensé Résumé 234 COMMENT ÉVOLUENT LES GÉNOMES 245 Des altérations du génome peuvent être causées par des échecs dans les mécanismes normaux de copie et d’entretien de l’ADN Les différences entre les séquences des génomes de deux espèces sont proportionnelles à la durée pendant laquelle celles-ci ont évolué séparément Les arbres phylogénétiques construits par comparaison des séquences ADN permettent d’établir des relations entre tous les organismes La comparaison des chromosomes humains et de souris montre comment les structures de génomes divergent La taille du génome d’un vertébré reflète la vitesse relative des additions et des pertes d’ADN dans une lignée Nous pouvons reconstituer la séquence de quelques génomes anciens La comparaison de séquences provenant de nombreuses espèces a permis d’identifier de longues séquences ADN à fonction inconnue Des modifications accélérées dans des séquences antérieurement bien conservées peuvent aider à déchiffrer les étapes critiques de l’évolution humaine La duplication des gènes est une source importante de nouveauté génétique au cours de l’évolution Les gènes dupliqués divergent L’évolution de la famille des gènes de la globine montre comment les duplications de l’ADN contribuent à l’évolution des organismes Des gènes codant de nouvelles protéines peuvent être créés par recombinaison des exons Souvent, des mutations silencieuses se disséminent jusqu’à ce qu’elles se fixent dans une population, avec une probabilité qui dépend de la taille de cette population L’analyse des différences génétiques entre les hommes peut beaucoup nous apprendre Résumé Problèmes Références PROFESSEUR_liminaires.indd xi 220 220 222 224 224 226 227 228 230 236 238 239 239 241 243 245 246 247 248 249 251 251 252 253 253 254 256 257 257 258 260 260 262 L’appariement des bases est à l’origine de la réplication et de la réparation de l’ADN La fourche de réplication de l’ADN est asymétrique La haute-fidélité de la réplication de l’ADN nécessite plusieurs mécanismes de vérification Seule la réplication de l’ADN dans la direction 5’→3’ permet une correction efficace des erreurs Une enzyme particulière catalysant la polymérisation de nucléotides synthétise de courtes molécules d’ARN amorce sur le brin retardé Des protéines particulières facilitent l’ouverture de la double hélice d’ADN en avant de la fourche de réplication La molécule d’ADN polymérase qui se déplace le long de l’ADN reste connectée grâce à un anneau coulissant Les protéines situées à la fourche de réplication coopèrent pour former la machine réplicative Un système de réparation des mésappariements contrôlé par le brin d’ADN enlève les erreurs de réplication qui ont échappé à la machinerie de la réplication Les ADN topo-isomérases empêchent que l’ADN ne s’emmêle pendant la réplication La réplication de l’ADN est fondamentalement similaire chez les eucaryotes et les bactéries Résumé INITIATION ET FIN DE LA RÉPLICATION DE L’ADN DANS LES CHROMOSOMES 263 266 266 268 271 272 273 273 275 276 278 280 281 281 La synthèse de l’ADN commence aux origines de réplication Les chromosomes bactériens n’ont généralement qu’une seule origine de réplication de l’ADN Les chromosomes eucaryotes contiennent de multiples origines de réplication Chez les eucaryotes, la réplication de l’ADN ne s’effectue que pendant une partie du cycle cellulaire Différentes régions du même chromosome se répliquent à des moments différents au cours de la phase S La chromatine fortement condensée se réplique tardivement, alors que les gènes de la chromatine moins condensée ont tendance à se répliquer précocement Des séquences d’ADN bien définies servent d’origine de réplication chez un eucaryote simple, la levure bourgeonnante Un grand complexe comportant de multiples sous-unités se fixe sur les origines de réplication des eucaryotes Les séquences d’ADN qui spécifient l’initiation de la réplication chez les mammifères ont été difficiles à identifier De nouveaux nucléosomes s’assemblent à l’arrière de la fourche de réplication Les mécanismes de duplication des chromosomes eucaryotes s’assurent que le motif particulier de la modification des histones peut être transmis La télomérase réplique les extrémités des chromosomes La longueur du télomère est régulée par les cellules et les organismes Résumé 281 RÉPARATION DE L’ADN 295 Sans réparation de l’ADN, les lésions spontanées modifieraient rapidement les séquences d’ADN La double hélice d’ADN est facilement réparée Les dommages sur l’ADN peuvent être éliminés de plusieurs façons Le couplage de la réparation de l’ADN à la transcription permet à l’ADN le plus important pour la cellule d’être réparé efficacement La nature chimique des bases de l’ADN facilite la détection des dommages Des ADN polymérases spéciales sont utilisées pour les réparations d’urgence de l’ADN Les cassures des doubles brins sont efficacement réparées Les dommages causés à l’ADN retardent la progression du cycle cellulaire Résumé 282 282 284 285 285 286 287 288 289 290 292 293 294 296 296 297 299 300 302 302 303 304 RECOMBINAISON HOMOLOGUE 304 La recombinaison homologue a de multiples utilités dans la cellule La recombinaison homologue a des caractéristiques communes dans toutes les cellules 304 305 22/11/10 16:29 xii Sommaire détaillé La recombinaison homologue est guidée par l’appariement des bases de l’ADN La protéine RecA et ses homologues permettent à un ADN simple brin de s’apparier avec une région homologue d’une double hélice d’ADN La migration de branche peut soit élargir les régions d’hétéroduplex, soit libérer de l’ADN nouvellement synthétisé sous forme d’un simple brin La recombinaison homologue peut réparer sans faute une cassure totale d’ADN double brin Les cellules contrôlent avec soin le recours à la recombinaison homologue pour réparer l’ADN Des jonctions de Holliday sont souvent formées au cours des processus de recombinaison homologue La recombinaison au cours de la méiose commence avec une cassure programmée de l’ADN double brin La recombinaison homologue a souvent comme résultat une conversion génique La correction des mésappariements empêche la recombinaison entre deux séquences d’ADN proches médiocrement appariées Résumé 315 316 TRANSPOSITION ET RECOMBINAISON CONSERVATIVE SPÉCIFIQUE DE SITE 316 Grâce à la transposition, les éléments génétiques mobiles peuvent s’insérer dans n’importe quelle séquence ADN Les transposons d’ADN se déplacent à la fois selon des mécanismes de coupé-collé de l’ADN et selon des mécanismes réplicatifs Certains virus utilisent un des mécanismes de transposition pour pénétrer dans les chromosomes de la cellule hôte Les rétrotransposons de type rétroviral ressemblent à des rétrovirus dépourvus d’enveloppe protéique Une grande partie du génome humain est composée de rétrotransposons non rétroviraux Différents éléments transposables prédominent dans différents organismes Les séquences du génome révèlent le moment approximatif où les éléments transposables se sont déplacés dans le temps La recombinaison conservative spécifique de site peut réarranger l’ADN de façon réversible La recombinaison conservative spécifique de site a été découverte chez le bactériophage λ La recombinaison conservative spécifique de site est utilisée pour activer et inactiver les gènes Résumé Problèmes Références Chapitre 6 Les cellules lisent le génome : de l’ADN aux protéines 305 307 308 308 360 362 363 366 DE L’ARN AUX PROTÉINES 366 Une séquence d’ARNm est décodée par groupes de trois nucléotides Les molécules d’ARNt font correspondre les acides aminés aux codons de l’ARNm Les ARNt sont modifiés de façon covalente avant de sortir du noyau Des enzymes spécifiques couplent chaque acide aminé à sa molécule d’ARNt particulière L’édition par les ARNt synthétases assure l’exactitude Les acides aminés sont ajoutés à l’extrémité C-terminale de la chaîne polypeptidique en croissance Le message ARN est décodé sur les ribosomes Les facteurs d’élongation font avancer la traduction et améliorent son exactitude Le ribosome est un ribozyme Des séquences nucléotidiques de l’ARNm signalent où doit commencer la synthèse protéique Les codons d’arrêt marquent la fin de la traduction Les protéines sont fabriquées sur des polyribosomes Il existe des variations mineures du code génétique standard Les inhibiteurs de la synthèse protéique des procaryotes sont des antibiotiques utiles L’exactitude dans la traduction nécessite une dépense d’énergie libre Des mécanismes de contrôle de qualité opèrent pour prévenir la traduction des ARNm endommagés Certaines protéines commencent à se replier alors qu’elles sont encore en cours de synthèse Les molécules chaperons facilitent le repliement de nombreuses protéines Les régions hydrophobes exposées fournissent des signaux critiques pour le contrôle de qualité des protéines Le protéasome est une protéase compartimentée avec des sites actifs isolés Un système élaboré de conjugaison à l’ubiquitine marque les protéines pour leur destruction Beaucoup de protéines sont contrôlées par une destruction régulée Les protéines mal repliées peuvent s’agréger et provoquer des maladies destructrices chez l’homme Il existe de nombreuses étapes entre l’ADN et les protéines Résumé 367 355 357 358 310 311 312 314 317 317 319 320 321 322 323 323 324 324 326 327 328 329 DE L’ADN À L’ARN 331 Des portions d’ADN sont transcrites en ARN La transcription produit un ARN complémentaire d’un des deux brins d’ADN Les cellules produisent divers types d’ARN Des signaux codés dans l’ADN indiquent à l’ARN polymérase où commencer et où finir Les signaux de début et de fin de transcription sont des séquences de nucléotides hétérogènes L’initiation de la transcription chez les eucaryotes nécessite de nombreuses protéines L’ARN polymérase II nécessite des facteurs de transcription généraux L’ARN polymérase II nécessite aussi des protéines activatrices, un médiateur et des protéines qui modifient la chromatine L’élongation de la transcription produit une tension superhélicoïdale dans l’ADN Chez les eucaryotes, l’élongation de la transcription est fortement couplée à la maturation de l’ARN L’addition d’une coiffe à l’ARN est la première modification des préARNm des eucaryotes L’épissage de l’ARN enlève les séquences d’intron des pré-ARNm néotranscrits Des séquences de nucléotides signalent où l’épissage doit se produire Le splicéosome effectue l’épissage de l’ARN Le splicéosome utilise l’hydrolyse de l’ATP pour produire une série complexe de réarrangements ARN-ARN D’autres propriétés des pré-ARNm et de leur synthèse aident à expliquer le choix du site d’épissage correct Un deuxième ensemble de RNPsn effectue l’épissage d’une petite fraction de séquences d’introns chez les animaux et les végétaux L’épissage de l’ARN présente une souplesse remarquable 332 PROFESSEUR_liminaires.indd xii L’épissage de l’ARN catalysé par le splicéosome a probablement évolué à partir d’un mécanisme d’autoépissage Les enzymes de maturation des ARN produisent l’extrémité 3’ des ARNm des eucaryotes Les ARNm matures des eucaryotes sont exportés du noyau sélectivement De nombreux ARN non codants sont également synthétisés et transformés dans le noyau Le nucléole est une usine qui produit des ribosomes Le noyau contient diverses structures sub-nucléaires Résumé 333 335 336 338 339 340 342 368 369 370 371 373 373 377 378 379 381 381 382 383 385 385 387 388 390 391 393 395 396 399 399 LE MONDE ARN ET LES ORIGINES DE LA VIE 400 Le stockage des informations est nécessaire à la vie Les polynucléotides peuvent stocker des informations et catalyser des réactions chimiques Un monde pré-ARN a probablement précédé le monde ARN Les molécules d’ARN simples brins peuvent se replier en structures extrêmement élaborées Les molécules qui s’auto-répliquent subissent une sélection naturelle Comment la synthèse protéique s’est-elle développée ? Toutes les cellules actuelles utilisent l’ADN comme matériel héréditaire Résumé Problèmes Références 401 401 402 403 404 407 408 408 409 410 343 345 346 347 349 349 351 352 353 355 Chapitre 7 Contrôle de l’expression des gènes 411 GÉNÉRALITÉS SUR LE CONTRÔLE DES GÈNES 411 Les différents types cellulaires d’un organisme multicellulaire contiennent le même ADN Les différents types cellulaires synthétisent différents ensembles de protéines Des signaux externes peuvent conduire une cellule à modifier l’expression de ses gènes L’expression des gènes peut être contrôlée au niveau de nombreuses étapes dans la voie allant de l’ADN aux ARN puis aux protéines Résumé 411 412 413 415 415 22/11/10 16:29 Sommaire détaillé MOTIFS DE LIAISON À L’ADN DANS LES PROTÉINES RÉGULATRICES DE GÈNES Les protéines régulatrices de gènes ont été découvertes grâce à la génétique bactérienne L’extérieur de l’hélice d’ADN peut être lu par des protéines De courtes séquences ADN sont des composantes fondamentales des commutateurs génétiques Les protéines régulatrices de gènes portent des motifs structuraux qui peuvent lire les séquences ADN Le motif hélice-tour-hélice est l’un des plus simples et des plus communs des motifs de liaison à l’ADN Les protéines à homéodomaines constituent une classe spéciale de protéines de type hélice-tour-hélice Il existe plusieurs types de motifs en doigt à zinc se liant à l’ADN Les feuillets β peuvent aussi reconnaître l’ADN Certaines protéines utilisent des boucles qui entrent dans le grand et le petit sillon pour reconnaître l’ADN La glissière à leucine sert d’intermédiaire à la fois pour la liaison à l’ADN et pour la dimérisation des protéines L’hétérodimérisation augmente le répertoire des séquences ADN reconnues par les protéines régulatrices de gènes Le motif hélice-boucle-hélice est aussi un intermédiaire dans la dimérisation et la liaison à l’ADN Il n’est pas encore possible de prévoir les séquences ADN reconnues par toutes les protéines régulatrices de gènes Un test de retard sur gel détecte les protéines de liaison à des séquences spécifiques de l’ADN La chromatographie d’affinité de l’ADN facilite la purification des protéines de liaison à l’ADN spécifiques de séquences La séquence ADN reconnue par une protéine régulatrice de gènes peut être déterminée expérimentalement Les empreintes phylogénétiques identifient les séquences régulatrices grâce à la génomique comparative L’immunoprécipitation de la chromatine identifie de nombreux sites ADN occupés par des protéines régulatrices de gènes dans les cellules vivantes Résumé MODE DE FONCTIONNEMENT DES COMMUTATEURS GÉNÉTIQUES Le répresseur du tryptophane est un commutateur simple qui active et inactive les gènes chez les bactéries Les activateurs de transcription activent les gènes Un activateur transcriptionnel et un répresseur transcriptionnel contrôlent l’opéron Lac L’ADN fait des boucles particulières au cours de la régulation des gènes bactériens Les bactéries utilisent des sous-unités d’ARN polymérase interchangeables pour faciliter le contrôle de la transcription des gènes Des commutateurs complexes ont évolué pour contrôler la transcription des gènes chez les eucaryotes Chez les eucaryotes, la région contrôlant le gène comprend un promoteur et des séquences ADN régulatrices Les protéines activatrices de gènes eucaryotes facilitent l’assemblage de l’ARN polymérase et des facteurs généraux de la transcription Les protéines activatrices de gènes eucaryotes modifient aussi la structure locale de la chromatine Les protéines activatrices de gènes travaillent en synergie Les protéines répresseurs de gènes des eucaryotes peuvent inhiber la transcription de différentes façons Les protéines régulatrices de gènes des eucaryotes se lient souvent à l’ADN avec coopérativité Les commutateurs génétiques complexes qui contrôlent le développement de Drosophila sont formés à partir de modules plus petits Le gène Eve de Drosophila est régulé par des contrôles combinatoires Les régions complexes de contrôle de gènes des mammifères sont aussi construites à partir de modules régulateurs simples Les isolateurs sont des séquences d’ADN qui empêchent les protéines régulatrices de gènes eucaryotes d’influencer des gènes distants Les commutateurs de gènes évoluent rapidement Résumé LES MÉCANISMES GÉNÉTIQUES MOLÉCULAIRES QUI CRÉENT LES DIFFÉRENTS TYPES CELLULAIRES SPÉCIALISÉS Les réarrangements de l’ADN servent de médiateur aux changements de phase des bactéries Un ensemble de protéines régulatrices de gènes détermine le type cellulaire chez une levure bourgeonnante PROFESSEUR_liminaires.indd xiii xiii 428 Deux protéines qui répriment mutuellement leur synthèse déterminent l’état transmissible du bactériophage lambda Des circuits simples de régulation des gènes peuvent être utilisés comme dispositifs mnésiques Des circuits de transcription permettent à la cellule d’effectuer des opérations logiques La biologie de synthèse crée de nouveaux dispositifs à partir d’éléments biologiques existants Les rythmes circadiens sont fondés sur les boucles de rétrocontrôle de la régulation des gènes Une seule protéine régulatrice de gènes peut coordonner l’expression d’un ensemble de gènes L’expression d’une protéine régulatrice de gènes critique peut déclencher l’expression de toute une batterie de gènes en aval Le contrôle combinatoire des gènes engendre de nombreux types cellulaires différents chez les eucaryotes Une seule protéine régulatrice de gènes peut déclencher la formation d’un organe entier Le schéma des méthylations de l’ADN est transmissible lors de la division des cellules de vertébrés L’empreinte génomique parentale est basée sur la méthylation de l’ADN Des îlots riches en CG sont associés à de nombreux gènes chez les mammifères Les mécanismes épigénétiques assurent que des schémas stables d’expression des gènes peuvent être transmis aux cellules filles Des altérations de la structure chromatinienne sur toute la longueur du chromosome peuvent être transmissibles Le contrôle de l’expression des gènes est intrinsèquement bruyant Résumé 429 CONTRÔLES POST-TRANSCRIPTIONNELS 416 416 416 418 418 419 420 421 422 423 423 424 425 426 427 431 431 432 432 433 435 435 437 438 439 440 441 442 444 445 445 447 448 450 452 453 453 454 454 455 L’atténuation de la transcription entraîne la fin prématurée de certaines molécules d’ARN Les commutateurs ribonucléotidiques pourraient représenter une ancienne forme de contrôle des gènes L’épissage alternatif de l’ARN permet de produire différentes formes d’une même protéine à partir du même gène La définition du gène a dû être modifiée depuis la découverte de l’épissage alternatif La détermination du sexe de Drosophila dépend d’une série contrôlée d’événements d’épissage alternatif Une modification dans le site de coupure du transcrit ARN et l’addition de poly-A peuvent modifier l’extrémité C-terminale d’une protéine L’édition de l’ARN peut modifier le sens du message ARN Le transport de l’ARN à partir du noyau peut être régulé Certains ARNm sont localisés dans des régions particulières du cytoplasme Les régions 5’ et 3’ non traduites de l’ARNm en contrôlent sa traduction La phosphorylation d’un facteur d’initiation module globalement la synthèse des protéines L’initiation sur des codons AUG situés en amont du point d’initiation de la traduction peut moduler l’initiation de la traduction d’un eucaryote Les sites d’entrée internes aux ribosomes apportent des opportunités supplémentaires pour le contrôle de la traduction Des modifications de la stabilité des ARNm peuvent moduler l’expression des gènes L’addition de poly-A dans le cytoplasme peut moduler la traduction Des petits transcrits d’ARN non codants modulent de nombreux gènes animaux et végétaux L’ARN interférent représente un mécanisme de défense de la cellule L’interférence d’ARN peut diriger la formation d’hétérochromatine L’ARN interférent est devenu un instrument de recherche puissant Résumé Problèmes Références Chapitre 8 Manipulation des protéines, l’ADN et l’ARN 457 458 459 460 460 462 463 464 465 467 468 470 471 473 476 477 477 477 478 479 480 481 482 483 485 486 488 488 489 491 492 493 493 495 496 497 497 497 499 501 ISOLATION DES CELLULES ET CULTURE CELLULAIRE 501 Des cellules peuvent être isolées à partir de tissus intacts Les cellules peuvent pousser en culture Les lignées cellulaires eucaryotes sont largement utilisées en tant que source homogène de cellules Les cellules souches embryonnaires pourraient révolutionner la médecine 502 502 505 505 22/11/10 16:29 xiv Sommaire détaillé 523 Les mutations peuvent causer une perte ou un gain de fonction des protéines Les tests de complémentarité révèlent si deux mutations sont situées dans le même gène ou dans deux gènes différents On peut classer l’ordre des gènes dans une voie métabolique grâce à l’analyse de l’épistasie Les gènes identifiés par mutations peuvent être clonés La génétique humaine pose problème, mais elle ouvre des opportunités Les gènes humains sont transmis par blocs d’haplotypes, ce qui aide dans la recherche des mutations responsables de maladies Les caractères complexes sont sous le contrôle de plusieurs gènes La génétique inverse commence par un gène connu et détermine les processus cellulaires qui dépendent de son fonctionnement Les gènes peuvent être construits de plusieurs façons Les gènes synthétiques peuvent être insérés dans la lignée germinale de nombreux organismes Des animaux peuvent être modifiés génétiquement Les végétaux transgéniques sont importants à la fois pour la biologie cellulaire et pour l’agriculture De grandes collections d’invalidations marquées (tagged knockout) constituent un outil de choix pour l’examen des fonctions de chaque gène d’un organisme La méthode de l’ARN interférent est une voie simple et rapide pour tester la fonction des gènes Les gènes reporters et l’hybridation in situ révèlent quand et où un gène est exprimé L’expression des gènes peut être mesurée pour chacun d’eux par RT-PCR quantitative Les puces à ADN suivent l’expression de milliers de gènes à la fois L’expression des gènes dans des cellules isolées révèle un bruit de fond biologique Résumé Problèmes Références 524 Chapitre 9 Observation des cellules La transplantation nucléaire dans une cellule somatique pourrait apporter une solution pour produire des cellules souches personnalisées Les lignées cellulaires d’hybridomes sont des usines produisant des anticorps monoclonaux Résumé 508 510 PURIFICATION DES PROTÉINES 510 Une cellule peut être fractionnée en ses divers constituants Les extraits cellulaires fournissent des systèmes accessibles pour étudier les fonctions cellulaires Les protéines peuvent être séparées par chromatographie La chromatographie d’affinité exploite la présence de sites de liaison spécifiques sur les protéines Le marquage par génie génétique est un moyen simple pour purifier les protéines Des systèmes acellulaires purifiés sont nécessaires pour disséquer avec précision les fonctions des molécules Résumé 510 ANALYSE DES PROTÉINES 517 Les protéines peuvent être séparées par électrophorèse sur gel de polyacrylamide en SDS Des protéines spécifiques peuvent être détectées par transfert puis incubation avec un anticorps La spectrométrie de masse est une technique extrêmement sensible permettant d’identifier des protéines inconnues Les méthodes de séparation bidimensionnelles sont particulièrement puissantes Des mesures hydrodynamiques révèlent la taille et la forme d’un complexe protéique Des ensembles de protéines qui interagissent peuvent être identifiés par des méthodes biochimiques Les interactions entre protéines sont aussi identifiées par la technique du double hybride chez la levure La combinaison des données obtenues à partir de différentes techniques conduit à l’établissement de cartes d’interactions entre protéines fiables Des méthodes optiques permettent de suivre les interactions entre protéines en temps réel Certaines techniques permettent de suivre les molécules isolées La fonction des protéines peut être perturbée sélectivement par des petites molécules La structure des protéines peut être déterminée par diffraction des rayons X La RMN permet de déterminer la structure d’une protéine en solution La séquence et la structure des protéines fournissent des indices sur leur fonction Résumé ANALYSE ET MANIPULATION DE L’ADN Les nucléases de restriction coupent en fragments les grandes molécules d’ADN L’électrophorèse sur gel sépare les molécules d’ADN en fonction de leur taille Les molécules d’ADN purifiées peuvent être marquées spécifiquement in vitro par un isotope radioactif ou un marqueur chimique Les réactions d’hybridation des acides nucléiques représentent un moyen de détection très sensible de séquences de nucléotides particulières Les techniques de Southern et de Northern facilitent l’hybridation des molécules d’acides nucléiques séparées par électrophorèse Les gènes peuvent être clonés en utilisant des banques d’ADN Deux types de banques d’ADN avec deux visées différentes Les clones d’ADNc contiennent des séquences codantes ininterrompues Les gènes peuvent être amplifiés sélectivement par PCR Les cellules peuvent être utilisées comme des usines de production de protéines spécifiques Les protéines et acides nucléiques peuvent être synthétisés directement par réactions chimiques L’ADN peut être séquencé rapidement Les séquences nucléotidiques servent à prédire les séquences en acides aminés des protéines Les génomes de nombreux organismes ont été entièrement séquencés Résumé ÉTUDE DE L’EXPRESSION ET DES FONCTIONS DES GÈNES La génétique classique commence par perturber les processus cellulaires par mutagenèse au hasard Le criblage génétique identifie les mutants ayant des anomalies particulières PROFESSEUR_liminaires.indd xiv 507 511 512 513 514 516 516 517 518 519 521 522 523 524 526 527 527 529 530 531 532 532 534 535 535 538 540 541 544 544 546 548 548 550 551 552 553 553 556 OBSERVATION DES CELLULES AU MICROSCOPE OPTIQUE La résolution du microscope optique permet de visualiser des détails espacés de 0,2 µm Les cellules vivantes sont clairement vues en microscopie à contraste de phase ou à contraste d’interférence différentielle Des techniques électroniques permettent d’améliorer et d’analyser les images Les prélèvements de tissus sont généralement fixés puis coupés avant microscopie La microscopie à fluorescence permet de localiser des molécules spécifiques dans les cellules Les anticorps permettent de détecter des molécules spécifiques Le microscope optique permet l’imagerie d’objets complexes en trois dimensions Le microscope confocal produit des coupes optiques en excluant la lumière située hors du champ de focalisation Les protéines fluorescentes peuvent être utilisées pour marquer individuellement des protéines dans les cellules vivantes et les organismes On peut suivre les mouvements des protéines dans les cellules vivantes Des indicateurs émetteurs de lumière peuvent mesurer les rapides variations de concentrations ioniques intracellulaires Il existe différentes stratégies pour introduire dans les cellules des molécules auxquelles la membrane est imperméable La lumière permet de manipuler les objets microscopiques et de les visualiser Des molécules isolées sont visualisées grâce à la microscopie de fluorescence à excitation par ondes évanescentes Le microscope à force atomique permet de toucher et de déplacer des molécules isolées On peut marquer les molécules par des isotopes radioactifs Les radioisotopes sont utilisés pour suivre les molécules dans les cellules et organismes Résumé OBSERVATION DES CELLULES ET DES MOLÉCULES AU MICROSCOPE ÉLECTRONIQUE Le microscope électronique permet la résolution de la structure fine de la cellule Les échantillons biologiques nécessitent une préparation particulière pour la microscopie électronique Des macromolécules particulières sont localisées par immunomarquage à l’or couplé à la microscopie électronique La microscopie électronique à balayage permet d’obtenir l’image des surfaces 557 558 558 559 560 561 563 563 564 565 566 568 569 571 572 573 574 575 576 576 578 579 579 580 583 583 585 586 588 589 590 592 593 596 597 598 599 600 600 602 603 604 604 605 606 607 22/11/10 16:29 Sommaire détaillé La microscopie électronique à transmission associée à l’ombrage métallique permet un examen à haute résolution des caractéristiques des surfaces La coloration négative et la microscopie cryoélectronique permettent toutes deux de voir les macromolécules à forte résolution La combinaison d’images multiples augmente la résolution L’association de vues, prises sous des angles différents, permet la reconstruction tridimensionnelle d’un objet Résumé Problèmes Références Chapitre 10 Structure membranaire LA BICOUCHE LIPIDIQUE Les phosphoglycérides, les sphingolipides et les stérols sont les principaux lipides des membranes cellulaires Les phospholipides forment spontanément des bicouches La bicouche lipidique est un fluide à deux dimensions La fluidité de la bicouche lipidique dépend de sa composition En dépit de leur fluidité, les bicouches lipidiques peuvent former des domaines de compositions différentes Les gouttelettes lipidiques sont entourées par une monocouche de phospholipides L’asymétrie de la bicouche lipidique a une importance fonctionnelle Des glycolipides sont retrouvés à la surface de toutes les membranes plasmiques Résumé LES PROTÉINES MEMBRANAIRES Les protéines membranaires peuvent s’associer à la bicouche lipidique de différentes façons Des ancres lipidiques contrôlent la localisation membranaire de certaines protéines de signalisation Dans la plupart des protéines transmembranaires la chaîne polypeptidique traverse la bicouche lipidique sous forme d’hélice α Les hélices α transmembranaires interagissent souvent entre elles Certains barils β forment des canaux qui traversent les membranes De nombreuses protéines membranaires sont glycosylées Les protéines membranaires peuvent être solubilisées et purifiées au moyen de détergents La bactériorhodopsine, composée de sept hélices α qui traversent la bicouche lipidique, est une pompe à protons tirant son énergie de la lumière Les protéines membranaires fonctionnent souvent sous forme de larges complexes De nombreuses protéines membranaires diffusent dans le plan de la membrane Les cellules peuvent confiner les protéines et les lipides dans des domaines particuliers de la membrane Le cytosquelette cortical confère aux membranes une résistance mécanique et restreint la diffusion des protéines membranaires Résumé Problèmes Références xv 608 610 610 612 612 614 615 617 617 618 620 621 622 624 625 626 628 629 629 629 630 631 632 634 635 636 640 Chapitre 12 Compartiments intracellulaires et tri des protéines 642 COMPARTIMENTALISATION CELLULAIRE 645 646 648 648 650 651 Les bicouches lipidiques dépourvues de protéines sont très imperméables aux ions Il existe deux classes principales de protéines de transport membranaire : les transporteurs et les canaux Le transport actif s’effectue par l’intermédiaire de transporteurs couplés à une source d’énergie Résumé 653 654 TRANSPORTEURS ET TRANSPORT MEMBRANAIRE ACTIF 654 Le transport actif peut être actionné par des gradients ioniques Les transporteurs de la membrane plasmique contrôlent le pH cytosolique Une distribution asymétrique des transporteurs dans les cellules épithéliales sous-tend le transport transcellulaire des solutés Il existe trois classes de pompes ATP-dépendantes La pompe à Ca2+ est la mieux comprise des ATPases de type P La pompe à Na+-K+ de type P de la membrane plasmique établit le gradient de Na+ à travers la membrane plasmique Les transporteurs ABC constituent la plus grande famille de protéines de transport membranaire Résumé 656 PROFESSEUR_liminaires.indd xv Les canaux ioniques sont spécifiques d’un ion et fluctuent entre les états ouvert et fermé Le potentiel de membrane des cellules animales dépend principalement des canaux de fuite du K+ et du gradient de K+ à travers la membrane plasmique Le potentiel de repos ne diminue que lentement lorsque la pompe à Na+-K+ est arrêtée La structure tridimensionnelle d’un canal K+ bactérien montre comment un canal ionique peut fonctionner Les aquaporines sont perméables à l’eau mais imperméables aux ions La fonction d’un neurone dépend de sa structure allongée Les canaux cationiques à vanne contrôlée par le voltage engendrent des potentiels d’action dans les cellules électriquement excitables La myélinisation augmente la vitesse et l’efficacité de la propagation des potentiels d’action dans les cellules nerveuses L’enregistrement de résultats obtenus par la technique du patch-clamp montre que tout canal ionique à vannes s’ouvre selon le mode tout-ou-rien Les canaux à cations à vannes contrôlées par le voltage sont apparentés d’un point de vue évolutif et structurel Les canaux ioniques à vannes contrôlées par un transmetteur transforment les signaux chimiques en signaux électriques au niveau des synapses chimiques Les synapses chimiques peuvent être excitatrices ou inhibitrices Les récepteurs à l’acétylcholine de la jonction neuromusculaire sont des canaux à cations à vannes contrôlées par un transmetteur Les canaux ioniques à vannes contrôlées par un transmetteur sont les cibles majeures des médicaments agissant sur l’activité psychique La transmission neuromusculaire implique l’activation séquentielle de cinq ensembles différents de canaux ioniques Chaque neurone est un dispositif d’intégration complexe L’intégration neuronale nécessite l’association d’au moins trois sortes de canaux K+ La potentialisation à long terme (LTP) dans l’hippocampe des mammifères dépend de l’entrée de Ca2+ par les canaux à récepteur au NMDA Résumé Problèmes Références 642 Chapitre 11 Transport membranaire de petites molécules et propriétés électriques des membranes 651 PRINCIPES DU TRANSPORT MEMBRANAIRE CANAUX IONIQUES ET PROPRIÉTÉS ÉLECTRIQUES DES MEMBRANES 652 652 657 658 659 660 661 663 667 Toutes les cellules eucaryotes possèdent le même ensemble fondamental d’organites entourés d’une membrane L’origine, au cours de l’évolution, des organites entourés d’une membrane permet d’interpréter leurs relations topologiques Les protéines se déplacent entre les compartiments de différentes façons Les séquences signal dirigent les protéines vers la bonne adresse cellulaire La plupart des organites ne peuvent pas être construits de novo : ils nécessitent des informations sur l’organite lui-même Résumé TRANSPORT DES MOLÉCULES ENTRE LE NOYAU ET LE CYTOSOL Les complexes de pores nucléaires perforent l’enveloppe nucléaire Les signaux de localisation nucléaire dirigent les protéines nucléaires vers le noyau Les récepteurs d’importation nucléaire se lient aux signaux de localisation nucléaire et aux protéines NPC L’exportation nucléaire s’effectue comme l’importation, mais en sens inverse La GTPase Ran actionne le transport directionnel à travers le complexe du pore nucléaire Le transport entre le noyau et le cytosol peut être régulé par le contrôle de l’accès à la machinerie de transport L’enveloppe nucléaire se désagrège pendant la mitose Résumé TRANSPORT DES PROTÉINES DANS LES MITOCHONDRIES ET LES CHLOROPLASTES La translocation dans les mitochondries dépend de séquences signal et de protéines de translocation Les précurseurs des protéines mitochondriales sont importés sous forme d’une chaîne polypeptidique dépliée 667 667 669 669 671 673 675 676 678 680 682 682 684 684 686 687 688 689 691 692 693 694 695 695 695 697 699 701 702 704 704 705 705 707 708 708 709 710 712 713 713 715 22/11/10 16:29 xvi Sommaire détaillé L’hydrolyse de l’ATP et un potentiel de membrane entraînent l’importation des protéines dans l’espace matriciel Les bactéries et les mitochondries utilisent les mêmes mécanismes pour insérer les porines dans leur membrane externe Il existe plusieurs voies de transport protéique dans la membrane mitochondriale interne et dans l’espace intermembranaire Deux séquences signal dirigent les protéines vers la membrane thylacoïde des chloroplastes Résumé 719 720 PEROXYSOMES 721 Les peroxysomes utilisent l’oxygène moléculaire et le peroxyde d’hydrogène (eau oxygénée) pour effectuer les réactions oxydatives Une courte séquence signal dirige l’importation des protéines dans les peroxysomes Résumé 716 717 717 721 722 723 RÉTICULUM ENDOPLASMIQUE 723 Le RE est structurellement et fonctionnellement divers Les séquences signal ont d’abord été découvertes sur les protéines importées dans le RE rugueux Une particule de reconnaissance du signal (SRP) dirige les séquences signal du RE vers un récepteur spécifique de la membrane du RE rugueux La chaîne polypeptidique traverse un pore aqueux du translocateur La translocation à travers la membrane du RE ne nécessite pas toujours que l’élongation de la chaîne polypeptidique se poursuive Dans les protéines à un seul domaine transmembranaire, une unique séquence signal interne pour le RE reste dans la bicouche lipidique et forme une hélice α qui traverse la membrane Les combinaisons de signaux de début et de fin de transfert déterminent la topologie des protéines à multiples domaines transmembranaires Les chaînes polypeptidiques transloquées se replient et s’assemblent dans la lumière du RE rugueux La plupart des protéines synthétisées dans le RE rugueux sont glycosylées par addition d’un oligosaccharide commun lié par une liaison N-osidique Les oligosaccharides servent de marqueurs de l’état de repliement d’une protéine Les protéines mal repliées sont exportées hors du RE et dégradées dans le cytosol Les protéines mal repliées du RE activent une réponse aux protéines dépliées Certaines protéines membranaires acquièrent une ancre de glycosylphosphatidylinositol (GPI), fixée de façon covalente La plupart des bicouches lipidiques sont assemblées dans le RE Résumé Problèmes Références 724 726 727 730 731 732 734 736 736 738 739 740 742 743 745 746 748 Chapitre 13 Transport vésiculaire intracellulaire 749 MÉCANISMES MOLÉCULAIRES DU TRANSPORT MEMBRANAIRE ET ENTRETIEN DE LA DIVERSITÉ DES COMPARTIMENTS 750 Il y a différents types de vésicules recouvertes d’un manteau L’assemblage d’un manteau de clathrine entraîne la formation d’une vésicule Tous les manteaux ne forment pas des structures en forme de paniers Les phosphoinositides sont des marqueurs d’organites et de domaines de membrane La séparation par pincement et la perte du manteau des vésicules recouvertes sont deux processus régulés par des protéines cytoplasmiques Des GTPases monomériques contrôlent l’assemblage du manteau Toutes les vésicules de transport ne sont pas sphériques Les protéines Rab assurent la spécificité de l’arrimage des vésicules Les SNARE sont les intermédiaires de la fusion membranaire Les SNARE qui interagissent doivent être séparées avant de pouvoir fonctionner à nouveau Les protéines de fusion virales et les SNARE peuvent utiliser les mêmes mécanismes de fusion Résumé TRANSPORT DEPUIS LE RE À TRAVERS L’APPAREIL DE GOLGI Les protéines quittent le RE dans des vésicules de transport recouvertes de COPII Seules les protéines correctement repliées et assemblées peuvent quitter le RE PROFESSEUR_liminaires.indd xvi 751 754 755 757 757 758 760 760 762 764 764 766 766 767 767 Le transport du RE à l’appareil de Golgi passe par des agrégats tubulaires vésiculaires La voie rétrograde vers le RE utilise des signaux de tri De nombreuses protéines sont sélectivement retenues dans les compartiments dans lesquels elles fonctionnent L’appareil de Golgi est formé d’une série ordonnée de compartiments Les chaînes d’oligosaccharides subissent une maturation dans l’appareil de Golgi Les protéoglycanes sont assemblés dans l’appareil de Golgi Quel est l’intérêt de cette glycosylation ? Le transport à travers l’appareil de Golgi peut se faire par transport vésiculaire ou maturation des citernes Les protéines de la matrice du Golgi facilitent l’organisation de l’appareil Résumé 778 779 TRANSPORT DEPUIS LE RÉSEAU TRANS-GOLGIEN VERS LES LYSOSOMES 779 Les lysosomes sont le site principal de la digestion intracellulaire Les lysosomes sont hétérogènes Les vacuoles végétales et fongiques sont des lysosomes remarquablement polyvalents Les matériaux sont livrés aux lysosomes par de multiples voies Un récepteur du mannose 6-phosphate reconnaît les protéines lysosomales dans le réseau trans-golgien Le récepteur M6P fait la navette entre des membranes spécifiques Un patch signal de la chaîne polypeptidique de l’hydrolase fournit le signal d’addition des M6P Les anomalies de la GlcNAc phosphotransférase provoquent une maladie de stockage lysosomal chez l’homme Certains lysosomes peuvent subir une exocytose Résumé TRANSPORT DANS LA CELLULE DEPUIS LA MEMBRANE PLASMIQUE : L’ENDOCYTOSE Des cellules phagocytaires spécialisées peuvent ingérer de grosses particules Les vésicules de pinocytose se forment à partir de puits recouverts (coated pits) de la membrane plasmique Les vésicules de pinocytose ne sont pas toutes recouvertes de clathrine Les cellules importent certaines macromolécules extracellulaires par une endocytose couplée à des récepteurs Les matériaux endocytés non récupérés à partir des endosomes finissent dans les lysosomes Des protéines spécifiques sont retirées des endosomes précoces et retournent dans la membrane plasmique Des corps multivésiculaires se forment sur la voie qui conduit aux endosomes tardifs Des macromolécules peuvent être transférées à travers les feuillets cellulaires épithéliaux par transcytose Les cellules épithéliales possèdent deux compartiments différents d’endosomes précoces mais un compartiment commun d’endosomes tardifs Résumé TRANSPORT DEPUIS LE RÉSEAU TRANS-GOLGIEN VERS L’EXTÉRIEUR DE LA CELLULE : L’EXOCYTOSE Nombre de protéines et de lipides semblent être transportés automatiquement de l’appareil de Golgi à la surface cellulaire Les vésicules sécrétoires bourgeonnent à partir du réseau trans-golgien Les protéines subissent souvent une protéolyse pendant la formation des vésicules sécrétoires Les vésicules sécrétoires attendent près de la membrane plasmique jusqu’à ce qu’elles reçoivent le signal pour libérer leur contenu L’exocytose régulée peut être une réponse localisée de la membrane plasmique et de son cytoplasme sous-jacent Les composants membranaires des vésicules sécrétoires sont rapidement éliminés de la membrane plasmique Certains événements d’exocytose régulée permettent d’agrandir la membrane plasmique Les cellules polarisées dirigent les protéines du réseau trans-golgien vers le domaine approprié de la membrane plasmique Des stratégies différentes guident sélectivement les protéines et les lipides membranaires vers les domaines adéquats de la membrane plasmique Les vésicules synaptiques peuvent se former directement à partir des vésicules d’endocytose Résumé Problèmes Références 768 769 771 771 773 775 776 777 779 780 781 782 783 784 785 785 786 786 787 787 789 790 791 792 793 795 797 798 799 799 800 801 803 803 804 805 805 805 806 807 809 810 812 22/11/10 16:29 Sommaire détaillé Chapitre 14 Conversion énergétique : mitochondries et chloroplastes LA MITOCHONDRIE Les mitochondries comportent une membrane externe, une membrane interne et deux compartiments internes Le cycle de l’acide citrique produit des électrons riches en énergie Un processus chimio-osmotique convertit l’énergie de l’oxydation en ATP Les électrons sont transférés du NADH à l’oxygène par l’intermédiaire de trois gros complexes d’enzymes respiratoires Au cours du déplacement des électrons le long de la chaîne respiratoire, l’énergie est mise en réserve sous forme d’un gradient électrochimique de protons à travers la membrane interne Le gradient de protons actionne la synthèse d’ATP Le gradient de protons actionne un transport couplé à travers la membrane interne Les gradients de protons produisent la majeure partie de l’ATP de la cellule Les mitochondries maintiennent dans les cellules un rapport ATP/ADP élevé L’ATP est utile pour la cellule du fait de la forte valeur négative de la ΔG de son hydrolyse L’ATP synthase peut aussi fonctionner en sens inverse pour hydrolyser l’ATP et pomper des H+ Résumé LES CHAÎNES DE TRANSPORT DES ÉLECTRONS ET LEURS POMPES À PROTONS xvii Les protéines de transport de la membrane interne des chloroplastes contrôlent l’échange des métabolites avec le cytosol Les chloroplastes effectuent également d’autres biosynthèses cruciales Résumé 855 855 816 817 SYSTÈMES GÉNÉTIQUES DES MITOCHONDRIES ET DES PLASTES 855 817 Les mitochondries et les chloroplastes contiennent des systèmes génétiques complets La croissance et la division des organites déterminent le nombre de mitochondries et de plastes d’une cellule Les génomes des mitochondries et des chloroplastes sont variés Les mitochondries et les chloroplastes ont probablement tous deux évolué à partir de bactéries endosymbiotiques Les mitochondries ont une utilisation souple des codons et peuvent avoir une variante du code génétique Les mitochondries des animaux contiennent le plus simple des systèmes génétiques connus Certains gènes des organites contiennent des introns Le génome des chloroplastes des végétaux supérieurs contient 120 gènes environ Les gènes mitochondriaux sont transmis par un mécanisme non mendélien Dans de nombreux organismes, les gènes des organites sont transmis par la mère Les levures mutantes « petite » mettent en évidence l’importance primordiale du noyau cellulaire dans la biogenèse mitochondriale Les mitochondries et les plastes contiennent des protéines spécifiques de tissu qui sont codées par le noyau cellulaire Les mitochondries importent la majorité de leurs lipides ; les chloroplastes synthétisent la plupart des leurs Les mitochondries pourraient contribuer au vieillissement des cellules et des organismes Pourquoi les mitochondries et les chloroplastes ont-ils leur propre système génétique ? Résumé 813 815 819 820 821 822 822 823 824 826 827 827 Les protons sont particulièrement faciles à déplacer Le potentiel redox est une mesure de l’affinité des électrons Les transferts d’électrons libèrent de grandes quantités d’énergie Des méthodes de spectroscopie ont été utilisées pour identifier de nombreux transporteurs d’électrons de la chaîne respiratoire La chaîne respiratoire comprend trois gros complexes enzymatiques encastrés dans la membrane interne Un centre fer-cuivre de la cytochrome oxydase catalyse efficacement la réduction d’O2 Les transferts d’électrons dans la membrane mitochondriale interne se font par l’intermédiaire de collisions aléatoires Une baisse importante du potentiel redox à travers chacun des trois complexes enzymatiques respiratoires fournit l’énergie pour pomper les H+ Les trois principaux complexes enzymatiques utilisent des mécanismes différents pour pomper les H+ Les ionophores à H+ découplent le transport des électrons de la synthèse d’ATP Le contrôle respiratoire restreint normalement le flux d’électrons qui traverse la chaîne Des agents découplants naturels transforment les mitochondries de la graisse brune en générateurs de chaleur La mitochondrie a de nombreuses fonctions essentielles dans le métabolisme cellulaire Les bactéries utilisent aussi les mécanismes chimio-osmotiques pour maîtriser l’énergie Résumé 827 828 829 CHLOROPLASTES ET PHOTOSYNTHÈSE 840 Le chloroplaste est un organite membre de la famille des plastes Les chloroplastes ressemblent aux mitochondries mais ont un compartiment supplémentaire Les chloroplastes captent l’énergie de la lumière solaire et l’utilisent pour fixer le carbone La ribulose bisphosphate carboxylase catalyse la fixation du carbone La fixation d’une molécule de CO2 consomme trois molécules d’ATP et deux molécules de NADPH Dans certains végétaux la fixation du carbone est compartimentalisée pour faciliter la croissance à faibles concentrations en CO2 La photosynthèse dépend de la photochimie des molécules de chlorophylle Un photosystème est composé d’un centre réactionnel photochimique et d’un complexe de l’antenne Dans un centre réactionnel, l’énergie lumineuse capturée par la chlorophylle transforme un donneur faible d’électrons en un donneur fort d’électrons La photophosphorylation non cyclique produit du NADPH et de l’ATP Les chloroplastes peuvent produire de l’ATP par photophosphorylation cyclique sans produire de NADPH Les photosystèmes I et II ont des structures apparentées et ressemblent également aux photosystèmes bactériens La force proton-motrice est la même dans les mitochondries et les chloroplastes 841 PROFESSEUR_liminaires.indd xvii 829 831 832 834 835 835 836 837 838 838 839 840 842 843 844 845 846 847 848 849 850 853 853 853 ÉVOLUTION DES CHAÎNES DE TRANSPORT DES ÉLECTRONS Les premières cellules produisaient probablement l’ATP par fermentation Les chaînes de transport des électrons permettent aux bactéries anaérobies d’utiliser des molécules non fermentables comme principale source d’énergie En fournissant une source intarissable de pouvoir réducteur, les bactéries photosynthétiques ont surmonté un obstacle évolutif majeur Les chaînes photosynthétiques de transport des électrons des cyanobactéries ont produit l’oxygène atmosphérique et ont permis de nouvelles formes de vie Résumé Problèmes Références Chapitre 15 Communication cellulaire PRINCIPES GÉNÉRAUX DE LA COMMUNICATION CELLULAIRE Les molécules de signalisation extracellulaire se lient à des récepteurs spécifiques Les molécules de signalisation extracellulaire peuvent agir sur de courtes ou de longues distances Les jonctions communicantes de type gap permettent à des cellules voisines de mettre en commun les informations de signalisation Chaque cellule est programmée pour répondre à des combinaisons spécifiques de molécules de signalisation extracellulaire Les différents types cellulaires répondent généralement différemment à une même molécule de signalisation extracellulaire Le destin de certaines cellules au cours de leur développement dépend de leur position dans les gradients de morphogènes Une cellule ne peut modifier rapidement la concentration d’une molécule intracellulaire que si celle-ci a une demi-vie courte Le gaz monoxyde d’azote crée un signal en agissant directement sur l’activité de protéines spécifiques à l’intérieur de la cellule cible Les récepteurs nucléaires sont des protéines régulatrices de gènes activées par un ligand Les trois plus grandes classes de récepteurs protéiques membranaires sont les récepteurs couplés aux canaux ioniques, aux protéines G et aux enzymes 854 856 857 859 859 861 862 863 863 864 866 866 867 867 868 868 870 870 870 871 872 873 875 877 878 879 879 880 881 884 884 885 886 886 887 889 891 22/11/10 16:29 xviii Sommaire détaillé La plupart des récepteurs membranaires activés relaient les signaux par l’intermédiaire de petites molécules et un réseau de protéines de signalisation intracellulaires De nombreuses protéines de signalisation intracellulaire fonctionnent comme des commutateurs moléculaires activés par phosphorylation ou liaison au GTP Des complexes de signalisation intracellulaire augmentent la vitesse, l’efficacité et la spécificité de la réponse Les interactions entre les protéines de signalisation intracellulaire s’effectuent par l’intermédiaire de domaines de liaison modulaires Les cellules utilisent de nombreux mécanismes pour répondre brusquement à une augmentation graduelle de la concentration d’un signal extracellulaire Les réseaux de signalisation intracellulaire utilisent habituellement des boucles de rétrocontrôle (feedback) Les cellules peuvent ajuster leur sensibilité à un signal Résumé SIGNALISATION PAR LES RÉCEPTEURS MEMBRANAIRES COUPLÉS AUX PROTÉINES G ET DES PETITS MÉDIATEURS INTRACELLULAIRES 893 895 897 897 905 905 La multicellularité et la communication cellulaire ont évolué indépendamment chez les végétaux et les animaux Les récepteurs à activité sérine/thréonine-kinase sont la classe la plus importante de récepteurs membranaires chez les végétaux L’éthylène bloque la dégradation de protéines régulatrices de gènes dans le noyau Le positionnement régulé des transporteurs d’auxine organise la croissance des végétaux Les phytochromes détectent la lumière rouge et les cryptochromes la lumière bleue Résumé Problèmes Références 908 Chapitre 16 Cytosquelette 909 912 912 AUTO-ASSEMBLAGE ET STRUCTURE DYNAMIQUE DES FILAMENTS DU CYTOSQUELETTE 901 902 903 904 920 921 SIGNALISATION PAR LES RÉCEPTEURS MEMBRANAIRES COUPLÉS À UNE ENZYME 921 PROFESSEUR_liminaires.indd xviii Le récepteur protéique Notch est une protéine régulatrice de gène latent Les protéines Wnt se lient aux récepteurs Frizzled et inhibent la dégradation des β-caténines Les protéines Hedgehog se lient aux récepteurs Patched, ce qui lève leur inhibition des récepteurs Smoothened De nombreux stimuli facteurs de stress et d’inflammation agissent par une voie de signalisation dépendante des NF-κB Résumé SIGNALISATION CHEZ LES VÉGÉTAUX 899 Les protéines G trimériques relaient les signaux issus des récepteurs couplés aux protéines G Certaines protéines G régulent la production de l’AMP cyclique La protéine-kinase dépendante de l’AMP cyclique (PKA) est responsable de la plupart des effets de l’AMP cyclique Certaines protéines G activent la voie de signalisation des inositol phospholipides en activant la phospholipase C-β Le Ca2+ fonctionne comme un messager intracellulaire ubiquitaire La fréquence des oscillations du Ca2+ influence la réponse de la cellule Les protéine-kinases dépendantes de la Ca2+/calmoduline (CaM-kinases) servent d’intermédiaires à de nombreuses réponses aux signaux Ca2+ dans les cellules animales Certaines protéines G régulent directement des canaux ioniques L’odorat et la vision dépendent de récepteurs couplés aux protéines G qui régulent des canaux ioniques à vanne contrôlée par les nucléotides cycliques Des médiateurs intracellulaires et des cascades enzymatiques amplifient les signaux extracellulaires La désensibilisation des récepteurs couplés aux protéines G dépend de la phosphorylation des récepteurs Résumé Les récepteurs à activité tyrosine-kinase s’auto-phosphorylent Les tyrosines phosphorylées sur les RTK servent de site d’arrimage aux protéines de signalisation intracellulaire Les protéines à domaine SH2 se lient aux tyrosines phosphorylées Ras fait partie d’une grande superfamille de GTPases monomériques Le développement de l’œil de Drosophila montre comment les RTK activent Ras par l’intermédiaire d’adaptateurs et de GEF Ras active un module de signalisation MAP-kinase Des protéines d’échafaudage empêchent les interactions croisées entre des voies MAP-kinases parallèles Les GTPases de la famille Rho réalisent le couplage fonctionnel des récepteurs membranaires au cytosquelette Les PI 3-kinases produisent des sites d’arrimage pour les lipides dans la membrane plasmique La voie de signalisation PI-3-kinase/Akt stimule la survie et la croissance des cellules animales Les voies de signalisation en aval des RTK et des RCPG se recoupent L’activité des récepteurs associés à une tyrosine-kinase dépend de tyrosine-kinases cytoplasmiques Les récepteurs des cytokines activent la voie de signalisation JAK-STAT, fournissant un accès rapide vers le noyau Des protéines tyrosine-phosphatases inversent les phosphorylations sur les tyrosines Les protéines de signalisation de la superfamille des TGF-β agissent par l’intermédiaire de récepteurs à activité sérine/thréonine-kinase et des Smad Les protéine-kinases spécifiques de la sérine/thréonine ou de la tyrosine ont des structures apparentées La chimiotaxie bactérienne dépend d’une voie de signalisation à deux composantes, activée par des récepteurs associés à des histidinekinases La méthylation du récepteur est responsable de l’adaptation au cours de la chimiotaxie bactérienne Résumé VOIES DE SIGNALISATION DÉPENDANTES DE LA PROTÉOLYSE RÉGULÉE DE PROTÉINES RÉGULATRICES DE GÈNES LATENTS 914 916 917 919 922 923 924 926 927 928 930 931 932 934 935 935 937 938 939 941 941 943 944 946 946 948 950 952 954 955 955 956 957 959 960 961 962 964 965 965 Les filaments du cytosquelette sont dynamiques et adaptables 966 Le cytosquelette peut aussi former des structures stables 969 Chaque type de filament du cytosquelette est construit à partir de sous-unités protéiques plus petites 970 Les filaments formés à partir de multiples protofilaments présentent des propriétés avantageuses 971 La nucléation est l’étape limitante de la vitesse de formation d’un polymère du cytosquelette 973 Les sous-unités de tubuline et d’actine s’assemblent « tête-à-queue » pour créer des filaments polaires 973 Les deux extrémités des microtubules et des filaments d’actine sont différentes et poussent à des vitesses différentes 975 Le treadmilling ou « vissage par vis sans fin » et l’instabilité dynamique des filaments sont les conséquences de l’hydrolyse des nucléotides par la tubuline et l’actine 976 Le treadmilling et l’instabilité dynamique participent au réarrangement rapide du cytosquelette 980 La tubuline et l’actine ont été extrêmement conservées pendant l’évolution des eucaryotes 982 La structure des filaments intermédiaires dépend d’une fasciculation latérale et de l’enroulement de superenroulements 983 Les filaments intermédiaires procurent une stabilité mécanique aux cellules animales 985 Des substances chimiques peuvent altérer la polymérisation des filaments 987 Chez les bactéries, l’organisation et la division cellulaires dépendent d’homologues du cytosquelette des eucaryotes 989 Résumé 991 LES CELLULES PEUVENT RÉGULER LES FILAMENTS DE LEUR CYTOSQUELETTE Un complexe protéique contenant de la tubuline γ est nécessaire à la nucléation des microtubules Dans les cellules animales, les microtubules émanent du centrosome La nucléation des filaments d’actine s’effectue souvent au niveau de la membrane plasmique Le mécanisme de nucléation influence l’organisation des filaments sur une grande échelle Des protéines qui se fixent sur les sous-unités libres modifient l’élongation des filaments Des protéines peuvent réguler la longueur et le comportement cinétique des filaments d’actine et des microtubules en les coupant Les protéines qui se fixent sur les côtés des filaments peuvent soit les stabiliser, soit les déstabiliser Les protéines qui interagissent avec les extrémités des filaments peuvent modifier de façon spectaculaire la dynamique de ces derniers Différents types de protéines modifient les propriétés des extrémités de microtubules qui poussent rapidement Dans les cellules, les filaments sont organisés en structures de plus en plus grandes Les filaments intermédiaires s’entrecroisent et forment des faisceaux résistants 992 992 992 996 998 999 1000 1001 1002 1003 1005 1005 22/11/10 16:29 Sommaire détaillé xix Des protéines de liaison croisée ayant des propriétés distinctes organisent des assemblages de filaments d’actine différents La filamine et la spectrine forment des réseaux de filaments d’actine Les éléments du cytosquelette forment de nombreuses attaches à la membrane plasmique Résumé LA PHASE S 1006 1008 1009 1010 MOTEURS MOLÉCULAIRES 1010 LA MITOSE Les protéines motrices basées sur l’actine font partie de la superfamille des myosines Il y a deux types de protéines motrices des microtubules : les kinésines et les dynéines Les similitudes structurelles de la myosine et de la kinésine indiquent une origine évolutive commune Les protéines motrices génèrent des forces en couplant l’hydrolyse de l’ATP à des modifications de conformation La cinétique des protéines motrices est adaptée aux fonctions de la cellule Les protéines motrices permettent le transport intracellulaire des organites entourés d’une membrane Le cytosquelette localise des molécules d’ARN spécifiques Les cellules régulent la fonction des protéines motrices Résumé 1011 1014 1015 1016 1020 1021 1022 1023 1025 CYTOSQUELETTE ET COMPORTEMENT CELLULAIRE 1025 La contraction musculaire dépend du glissement de la myosine II et des filaments d’actine Une augmentation soudaine de la concentration cytosolique en Ca2+ initie la contraction musculaire Le muscle cardiaque est une machine construite avec précision Les cils et les flagelles sont des structures mobiles formées de microtubules et de dynéines La construction du fuseau mitotique se fait grâce à la dynamique des microtubules et aux interactions avec de nombreuses protéines motrices De nombreuses cellules peuvent ramper sur un support solide La protrusion de la membrane plasmique est actionnée par la polymérisation de l’actine L’adhésion et la traction cellulaires permettent aux cellules d’avancer Les membres de la famille de protéines Rho provoquent des réarrangements importants du cytosquelette d’actine Des signaux extracellulaires activent les trois membres de la famille de protéines Rho Des signaux externes peuvent dicter la direction de la migration cellulaire La communication entre les microtubules et le cytosquelette d’actine coordonne la polarisation et la locomotion de la cellule entière La spécialisation morphologique complexe des neurones dépend du cytosquelette Résumé Problèmes Références Chapitre 17 Cycle cellulaire 1026 1028 1031 1031 1034 1036 1037 1040 LA CYTOCINÈSE 1043 L’actine et la myosine II de l’anneau contractile produisent l’énergie nécessaire à la cytocinèse L’activation locale de RhoA déclenche l’assemblage et la contraction de l’anneau contractile Les microtubules du fuseau mitotique déterminent le plan de division de la cellule animale Le phragmoplaste guide la cytocinèse des végétaux supérieurs Des organites entourés de membranes doivent être distribués aux cellules filles pendant la cytocinèse Certaines cellules repositionnent leur fuseau pour se diviser asymétriquement La mitose peut avoir lieu sans cytocinèse La phase G1 est un état stable d’inactivité des Cdk Résumé 1046 1047 1050 1050 1052 1053 Le cycle cellulaire des eucaryotes est divisé en quatre phases Le contrôle du cycle cellulaire est identique pour tous les eucaryotes Le contrôle du cycle cellulaire peut être disséqué génétiquement par l’analyse de levures mutantes Le contrôle du cycle cellulaire peut être analysé biochimiquement chez les embryons d’animaux Le contrôle du cycle cellulaire peut être étudié sur des cellules de mammifère en culture La progression du cycle cellulaire peut être étudiée de différentes façons Résumé LE SYSTÈME DE CONTRÔLE DU CYCLE CELLULAIRE Le système de contrôle du cycle cellulaire déclenche les événements majeurs du cycle cellulaire Le système de contrôle du cycle cellulaire dépend de protéine-kinases dépendantes des cyclines (Cdk) qui sont activées cycliquement Une phosphorylation inhibitrice et des protéines inhibitrices de Cdk (CKI) peuvent supprimer l’activité Cdk Le système de contrôle du cycle cellulaire dépend d’une protéolyse cyclique Le contrôle du cycle cellulaire dépend aussi de la régulation de la transcription Le système de contrôle du cycle cellulaire fonctionne comme un réseau d’interrupteurs biochimiques Résumé M-Cdk conduit l’entrée en mitose La déphosphorylation active M-Cdk au commencement de la mitose Les condensines aident à configurer les chromosomes dupliqués pour leur séparation Le fuseau mitotique est une machinerie à base de microtubules Des protéines motrices dépendantes des microtubules dirigent l’assemblage et le fonctionnement du fuseau mitotique Deux mécanismes collaborent à l’assemblage d’un fuseau mitotique bipolaire La duplication du centrosome se produit tôt dans le cycle cellulaire L’assemblage du fuseau pendant la prophase est initié par M-Cdk Dans les cellules animales, l’assemblage du fuseau ne peut s’achever qu’après la rupture de l’enveloppe nucléaire L’instabilité des microtubules augmente fortement au cours de la mitose Les chromosomes de mitose facilitent l’assemblage d’un fuseau bipolaire Les kinétochores attachent les chromatides sœurs au fuseau La bi-orientation est effectuée par tâtonnements Des forces multiples déplacent les chromosomes sur le fuseau Le complexe APC/C déclenche la séparation des chromatides sœurs et l’achèvement de la mitose Les chromosomes non attachés bloquent la séparation des chromatides sœurs : le point de contrôle de l’assemblage du fuseau Les chromosomes se séparent au cours de l’anaphase A et B Les chromosomes séparés sont empaquetés dans les noyaux fils à la télophase La méiose est une forme particulière de division nucléaire impliquée dans la reproduction sexuée Résumé 1041 1045 VUE D’ENSEMBLE DU CYCLE CELLULAIRE PROFESSEUR_liminaires.indd xix S-Cdk initie la réplication de l’ADN une fois par cycle La duplication des chromosomes nécessite la duplication des structures chromatiniennes Les cohésines maintiennent ensemble les deux chromatides sœurs Résumé 1054 1054 1056 CONTRÔLE DE LA DIVISION ET DE LA CROISSANCE CELLULAIRE 1056 Les agents mitogènes stimulent la division cellulaire Les cellules peuvent retarder leur division en entrant dans un état spécialisé de non-division Les mitogènes stimulent les activités des complexes G1-Cdk et G1/S-Cdk Un dommage de l’ADN bloque la division cellulaire : la réponse aux dommages de l’ADN De nombreuses cellules humaines ont une limitation interne du nombre de divisions cellulaires qu’elles peuvent subir Des signaux de prolifération anormaux entraînent l’arrêt du cycle ou l’apoptose, excepté dans les cellules cancéreuses La croissance des organismes et des organes dépend de la croissance cellulaire Les cellules qui prolifèrent coordonnent généralement leur croissance et leur division Les cellules avoisinantes rivalisent pour capter les protéines extracellulaires de signalisation Les animaux contrôlent leur masse cellulaire totale par des mécanismes inconnus Résumé Problèmes Références 1057 1059 1059 1060 1060 1060 1062 1063 1064 1065 1065 1067 1067 1067 1069 1070 1071 1071 1071 1074 1075 1075 1077 1077 1078 1078 1079 1080 1081 1082 1083 1085 1087 1088 1089 1090 1090 1092 1092 1093 1094 1095 1097 1098 1099 1099 1100 1101 1101 1102 1103 1103 1105 1107 1107 1108 1108 1110 1111 1112 1112 1113 22/11/10 16:29 xx Sommaire détaillé Chapitre 18 Apoptose 1115 La mort cellulaire programmée élimine les cellules indésirables Les cellules en apoptose sont reconnaissables biochimiquement L’apoptose dépend d’une cascade de réactions protéolytiques intracellulaires médiée par les caspases Les récepteurs de mort situés à la surface de la cellule activent la voie extrinsèque de l’apoptose La voie intrinsèque de l’apoptose repose sur les mitochondries Les protéines Bcl2 contrôlent la voie intrinsèque de l’apoptose Les IAP inhibent les caspases Les facteurs de survie extracellulaires inhibent l’apoptose par différents moyens Qu’elle soit excessive ou insuffisante, l’apoptose peut contribuer à des maladies Résumé Problèmes Références Chapitre 19 Jonctions cellulaires, adhésion cellulaire et matrice extracellulaire Les cadhérines sont les intermédiaires de l’adhésion intercellulaire dépendante de Ca2+ chez tous les animaux La superfamille des cadhérines des vertébrés comprend des centaines de protéines différentes dont beaucoup ont des fonctions de signalisation Les cadhérines servent d’intermédiaire dans l’adhésion homophile L’adhésion intercellulaire sélective permet à des cellules de vertébrés dissociées de se rassembler en tissus organisés Les cadhérines contrôlent le regroupement sélectif des cellules Twist contrôle les transitions entre épithélium et mésenchyme Les caténines relient les cadhérines classiques au cytosquelette d’actine Les jonctions adhérentes coordonnent la mobilité dépendante de l’actine des cellules adjacentes Les desmosomes donnent une force mécanique aux épithéliums Les jonctions intercellulaires envoient des signaux à l’intérieur de la cellule Les sélectines sont les intermédiaires transitoires de l’adhésion intercellulaire dans le courant sanguin Des membres de la superfamille protéique des immunoglobulines sont les intermédiaires d’une adhésion intercellulaire indépendante de Ca2+ De nombreux types de molécules d’adhésion cellulaire agissent en parallèle pour créer une synapse Des protéines d’échafaudage organisent les complexes de jonction Résumé Les jonctions serrées forment une soudure entre les cellules et une barrière entre les domaines membranaires Les protéines d’échafaudage des complexes de jonction jouent un rôle clé dans le contrôle de la prolifération cellulaire Les jonctions intercellulaires et la lame basale gouvernent la polarité apico-basale de l’épithélium Un système de signalisation séparé contrôle la polarité du plan cellulaire Résumé LES PASSAGES INTERCELLULAIRES : LES JONCTIONS COMMUNICANTES ET LES PLASMODESMES Les jonctions communicantes associent les cellules à la fois électriquement et métaboliquement Un connexon de jonctions communicantes est constitué de six sous-unités de connexines transmembranaires Les fonctions des jonctions de type gap sont variées Les cellules peuvent contrôler la perméabilité de leurs jonctions communicantes Chez les végétaux, les plasmodesmes remplissent de nombreuses fonctions similaires à celles des jonctions de type gap Résumé LA LAME BASALE Des lames basales sont sous-jacentes à tous les épithéliums et entourent certains types cellulaires non épithéliaux La laminine est la composante principale de la lame basale Le collagène de type IV donne à la lame basale sa force élastique La lame basale a des fonctions variées Résumé PROFESSEUR_liminaires.indd xx 1118 1120 1121 1121 1124 1126 1127 1128 1128 1129 1131 CADHÉRINES ET ADHÉSION INTERCELLULAIRE JONCTIONS SERRÉES ET ORGANISATION DES ÉPITHÉLIUMS 1115 1117 1133 1135 1136 1137 1139 1140 1141 1142 1142 1143 1145 1145 1146 1147 1148 1149 1150 1150 INTÉGRINES ET ADHÉSION CELLULE-MATRICE Les intégrines sont des hétérodimères transmembranaires qui se lient au cytosquelette Les intégrines peuvent passer d’une conformation active à une conformation inactive Des anomalies des intégrines sont responsables de nombreuses maladies génétiques Des amas d’intégrines forment des adhésions fortes Les fixations à la matrice extracellulaire se font par l’intermédiaire des intégrines et contrôlent la prolifération et la survie cellulaire Les intégrines recrutent des protéines de signalisation aux sites d’adhésion entre cellule et substrat Les intégrines peuvent produire des effets intracellulaires localisés Résumé LA MATRICE EXTRACELLULAIRE DES TISSUS CONJONCTIFS ANIMAUX La matrice extracellulaire est produite et orientée par les cellules qui l’habitent Les chaînes de glycosaminoglycanes (GAG) occupent beaucoup d’espace et forment des gels hydratés L’acide hyaluronique est un bouche-trou qui facilite la migration cellulaire au cours de la morphogenèse et de la réparation des tissus Les protéoglycanes sont composés de chaînes de GAG liées de façon covalente à un noyau protéique Les protéoglycanes peuvent contrôler les activités des protéines sécrétées Les protéoglycanes de la surface cellulaire agissent comme des corécepteurs Les collagènes sont les principales protéines de la matrice extracellulaire Les chaînes de collagène subissent une série de modifications posttraductionnelles Les propeptides sont éliminés du procollagène après sa sécrétion, pour permettre l’assemblage des fibrilles Les collagènes sécrétés associés aux fibrilles aident à organiser les fibrilles Les cellules facilitent l’organisation des fibrilles de collagène qu’elles sécrètent en exerçant une tension sur la matrice L’élastine donne aux tissus leur élasticité La fibronectine est une protéine extracellulaire qui aide les cellules à s’attacher à la matrice Les tensions exercées par les cellules contrôlent l’assemblage des fibrilles de fibronectine La fibronectine se lie aux intégrines par l’intermédiaire d’un motif RGD Les cellules doivent pouvoir dégrader la matrice aussi bien que la produire La dégradation de la matrice est localisée à la proximité des cellules Résumé LA PAROI CELLULAIRE DES VÉGÉTAUX 1158 La composition de la paroi cellulaire dépend du type cellulaire La force élastique de la paroi cellulaire permet aux cellules végétales de développer une pression de turgescence La paroi cellulaire primaire est constituée de microfibrilles de cellulose entrelacées dans un réseau de polysaccharides pectiques Les dépôts orientés sur les parois contrôlent la croissance des cellules végétales Les microtubules orientent les dépôts de paroi cellulaire Résumé Problèmes Références 1159 1161 Chapitre 20 Cancer 1153 1155 1157 1158 1158 1161 1162 1163 1164 1164 1165 1166 1167 1169 LE CANCER EST UN PROCESSUS MICRO-ÉVOLUTIF Les cellules cancéreuses se reproduisent sans restriction et colonisent les autres tissus La plupart des cancers dérivent d’une seule cellule anormale Les cellules cancéreuses contiennent des mutations somatiques Une seule mutation ne suffit pas à provoquer un cancer Les cancers se développent progressivement à partir de cellules de plus en plus aberrantes Les cancers du col de l’utérus sont prévenus par une détection précoce L’évolution tumorale implique des cycles successifs de mutations aléatoires transmissibles suivies de sélection naturelle 1169 1170 1170 1172 1174 1175 1176 1177 1178 1178 1179 1179 1180 1181 1182 1183 1184 1186 1187 1187 1189 1189 1191 1191 1193 1193 1194 1195 1195 1195 1197 1197 1199 1200 1202 1202 1204 1205 1205 1206 1207 1208 1209 1210 1211 1212 22/11/10 16:29 Sommaire détaillé Les modifications épigénétiques qui s’accumulent dans les cellules cancéreuses impliquent les structures transmissibles de la chromatine et la méthylation de l’ADN Les cellules cancéreuses humaines sont génétiquement instables La croissance cancéreuse dépend souvent d’une anomalie du contrôle de la mort ou de la différenciation cellulaire, ou des deux Les cellules cancéreuses présentent habituellement une réponse altérée aux dommages de l’ADN et à d’autres formes de stress Les cellules cancéreuses humaines échappent à la limite programmée de leur prolifération cellulaire Une petite population de cellules souches cancéreuses entretient de nombreuses tumeurs Comment naissent les cellules souches cancéreuses ? Pour métastaser, les cellules cancéreuses malignes doivent survivre et proliférer dans un environnement étranger Les tumeurs induisent l’angiogenèse Le microenvironnement de la tumeur influence le développement du cancer De nombreuses propriétés contribuent généralement à la croissance cancéreuse Résumé PRÉVENTION DE CERTAINES CAUSES DE CANCER De nombreux agents responsables de cancers lèsent l’ADN, mais pas tous Les initiateurs de tumeurs endommagent l’ADN ; les promoteurs de tumeurs ne le font pas Des virus et d’autres infections provoquent une proportion significative de cancers chez l’homme L’identification des carcinogènes laisse entrevoir des méthodes pour éviter les cancers Résumé DÉCOUVERTE DES GÈNES CRITIQUES DU CANCER Des méthodes différentes sont utilisées pour identifier des mutations avec gain de fonction et avec perte de fonction Les rétrovirus peuvent être des vecteurs d’oncogènes qui altèrent le comportement cellulaire Des recherches d’oncogènes différentes ont convergé sur le même gène Ras Des études de syndromes rares de cancers héréditaires ont permis d’identifier les premiers gènes suppresseurs de tumeur Les gènes suppresseurs de tumeur peuvent aussi être identifiés à partir d’études de tumeurs Des mécanismes génétiques et épigénétiques peuvent inactiver les gènes suppresseurs de tumeurs Différentes voies rendent hyperactifs les gènes mutés lors de cancer La chasse aux gènes critiques du cancer se poursuit Résumé BASES MOLÉCULAIRES DU COMPORTEMENT DES CELLULES CANCÉREUSES Les études menées sur des embryons en développement et des souris modifiées génétiquement ont aidé à découvrir les fonctions des gènes critiques du cancer Un grand nombre de gènes critiques du cancer régulent la division cellulaire Des voies différentes interviennent dans la dérégulation de la progression du cycle cellulaire et la dérégulation de la croissance cellulaire dans les cellules cancéreuses Les mutations des gènes qui régulent l’apoptose permettent aux cellules cancéreuses de survivre quand elles ne le devraient pas Les mutations du gène p53 permettent à de nombreuses cellules cancéreuses de survivre et de proliférer malgré des lésions de leur ADN Les virus cancérigènes à ADN bloquent l’action de protéines clés suppresseurs de tumeur Les modifications des cellules tumorales qui conduisent aux métastases restent encore mystérieuses Les cancers colorectaux se développent lentement via une succession de modifications visibles Un petit nombre de lésions génétiques clés sont communes à une grande partie des cancers colorectaux Certains cancers colorectaux présentent des anomalies de la réparation des mésappariements d’ADN Il est souvent possible de corréler les étapes de la progression tumorale à des mutations spécifiques Chaque cas de cancer est caractérisé par son propre ensemble de lésions génétiques Résumé PROFESSEUR_liminaires.indd xxi xxi TRAITEMENT DU CANCER : PRÉSENT ET FUTUR 1213 1214 1215 1216 1217 1217 1218 1220 1220 1222 1223 1223 1224 1225 1226 1227 1229 1230 1230 1231 1232 1233 1234 1235 1235 1237 1239 1240 1241 1241 1242 1244 1245 1246 1247 1256 Chercher à guérir le cancer est difficile mais non sans espoir Les traitements traditionnels exploitent l’instabilité génétique et la perte du contrôle du cycle cellulaire des cellules cancéreuses De nouveaux médicaments peuvent exploiter les causes spécifiques de l’instabilité génétique d’une tumeur L’instabilité génétique aide les cancers à devenir progressivement résistants aux traitements De nouveaux traitements se développent à partir de nos connaissances sur la biologie du cancer On peut concevoir des petites molécules pour inhiber spécifiquement des protéines oncogéniques Les vaisseaux sanguins des tumeurs sont des cibles logiques pour une thérapeutique anticancéreuse De nombreux cancers peuvent être traités en augmentant la réponse immunitaire contre une tumeur spécifique Les traitements utilisant simultanément plusieurs médicaments présentent des avantages potentiels dans le traitement du cancer Les profils d’expression génique devraient permettre de classer les cancers en sous-groupes intéressants sur le plan clinique Il reste encore beaucoup à faire Résumé Problèmes Références Chapitre 21 Reproduction sexuée : méiose, cellules germinales et fécondation 1257 1257 1257 1259 1260 1260 1262 1262 1263 1264 1264 1265 1265 1267 1269 GÉNÉRALITÉS SUR LA REPRODUCTION SEXUÉE Chez les eucaryotes supérieurs, la phase haploïde est brève La méiose crée la diversité génétique La reproduction sexuée confère un avantage sélectif aux organismes Résumé MÉIOSE Les gamètes sont produits par deux divisions méiotiques Les chromosomes homologues dupliqués (et les chromosomes sexuels) s’apparient au début de la prophase I L’appariement des homologues aboutit à la formation du complexe synaptonémal La ségrégation des homologues dépend de protéines associées aux kinétochores, spécifiques de la méiose Les erreurs sont fréquentes au cours de la méiose Les crossing-over intensifient le réassortiment génétique Le crossing-over est très régulé Chez les mammifères, la régulation de la méiose est différente chez les mâles et chez les femelles Résumé 1250 1251 1254 1254 1256 1256 1269 1271 1271 1272 1272 1272 1274 1275 1276 1278 1279 1280 1280 1281 CELLULES GERMINALES PRIMORDIALES ET DÉTERMINATION DU SEXE CHEZ LES MAMMIFÈRES 1282 Dans l’embryon de mammifère, des signaux provenant des cellules voisines désignent les CGP Les CGP migrent dans les gonades en développement Le gène Sry détermine le développement de la gonade des mammifères en testicule De nombreux aspects de la reproduction sexuée varient énormément dans les différentes espèces animales Résumé OVOCYTES Un œuf est une cellule très spécialisée capable d’assurer son développement de façon indépendante L’ovogenèse procède par étapes La croissance des ovocytes repose sur des mécanismes particuliers La plupart des ovocytes humains meurent sans arriver à maturité Résumé SPERMATOZOÏDES 1249 1269 Les spermatozoïdes sont très adaptés pour transmettre leur ADN à l’ovule La spermatogenèse est un phénomène continu dans le testicule des mammifères Le spermatozoïde se développe sous forme de syncytium Résumé FÉCONDATION La capacitation du spermatozoïde éjaculé se fait dans le tractus génital féminin Le spermatozoïde capacité se lie à la zone pellucide et subit la réaction acrosomique 1282 1283 1283 1285 1286 1287 1287 1288 1290 1291 1292 1292 1292 1293 1294 1296 1297 1297 1298 22/11/10 16:29 xxii Sommaire détaillé Le mécanisme de la fusion spermatozoïde-ovule est toujours inconnu La fusion avec le spermatozoïde active l’ovule en augmentant le Ca2+ cytosolique La réaction corticale de l’œuf lui permet de n’être fécondé que par un seul spermatozoïde Le spermatozoïde fournit au zygote son génome et un centriole FIV et ICSI ont révolutionné le traitement de la stérilité humaine Résumé Références Chapitre 22 Développement des organismes multicellulaires 1298 1299 1300 1301 1301 1303 1304 1305 MÉCANISMES UNIVERSELS DU DÉVELOPPEMENT ANIMAL Les animaux partagent certaines caractéristiques anatomiques fondamentales Les animaux multicellulaires sont enrichis en protéines qui servent d’intermédiaires aux interactions cellulaires et à la régulation génique L’ADN régulateur définit le programme du développement Les manipulations embryonnaires révèlent les interactions entre les cellules L’étude des animaux mutants permet d’identifier les gènes qui contrôlent les processus du développement Une cellule prend des décisions sur son développement bien avant de présenter des modifications visibles Les cellules se souviennent de valeurs positionnelles qui reflètent leur localisation dans le corps Des interactions inductives peuvent créer des différences ordonnées entre des cellules initialement identiques Une division cellulaire asymétrique peut engendrer deux cellules filles différentes Un rétrocontrôle positif peut créer une asymétrie là où il n’y en avait pas Le rétrocontrôle positif produit des schémas d’organisation, crée des réponses en tout-où-rien et permet la mémoire Un petit groupe de voies de signalisation, utilisé de façon répétitive, contrôle l’organisation du développement Les morphogènes sont des inducteurs de longue portée qui exercent des effets graduels Les inhibiteurs extracellulaires des molécules de signalisation façonnent la réponse aux inducteurs Des signaux de développement peuvent se propager à travers un tissu de différentes manières Des programmes intrinsèques à la cellule définissent souvent le déroulement de son développement en fonction du temps L’organisation initiale s’établit dans de petits champs de cellules puis s’affine par induction séquentielle lors de la croissance embryonnaire Résumé CAENORHABDITIS ELEGANS : LE DÉVELOPPEMENT DANS LA PERSPECTIVE D’UNE CELLULE PRISE INDIVIDUELLEMENT Caenorhabditis elegans est anatomiquement simple Le destin des cellules du nématode en développement peut être prédit presque parfaitement Les produits des gènes à effet maternel organisent la division asymétrique de l’œuf Une organisation progressivement plus complexe est engendrée par des interactions intercellulaires La microchirurgie et la génétique révèlent la logique du contrôle du développement ; le clonage et le séquençage des gènes révèlent ses mécanismes moléculaires Avec le temps, les cellules modifient leur capacité de réponse aux signaux de développement Des gènes hétérochroniques contrôlent la chronologie du développement Les cellules ne comptent pas le nombre des divisions cellulaires pour établir la chronologie de leur programme interne Une partie du programme de développement s’accompagne de la mort de certaines cellules par apoptose Résumé DROSOPHILA ET LA GÉNÉTIQUE MOLÉCULAIRE DE LA FORMATION D’UN SCHÉMA : LA GENÈSE DU PLAN CORPOREL Le corps de l’insecte est construit sous forme d’une série d’unités segmentaires Drosophila commence son développement sous forme d’un syncytium PROFESSEUR_liminaires.indd xxii 1305 1307 1308 1309 1310 1311 1311 1312 1313 1313 Les criblages génétiques ont défini des groupes de gènes nécessaires aux aspects spécifiques du début de l’organisation interne Les interactions entre l’ovocyte et son environnement définissent les axes de l’embryon : le rôle des gènes de polarité de l’œuf Les gènes de signalisation dorso-ventrale créent un gradient d’une protéine nucléaire régulatrice de gènes Dpp et Sog établissent un deuxième gradient morphogène qui affine l’organisation de la partie dorsale de l’embryon L’axe dorso-ventral de l’insecte correspond à l’axe ventro-dorsal des vertébrés Trois classes de gènes de segmentation affinent l’organisation maternelle antéropostérieure et subdivisent l’embryon L’expression localisée des gènes de segmentation est régulée par une hiérarchie des signaux de position La nature modulaire de l’ADN régulateur permet aux gènes de contrôler indépendamment de multiples fonctions Les gènes de polarité, gap et pair-rule créent une organisation transitoire qui est gardée en mémoire par d’autres gènes Résumé GÈNES DE SÉLECTION HOMÉOTIQUE ET FORMATION DE L’AXE ANTÉROPOSTÉRIEUR Le code Hox spécifie les différences antéropostérieures Les gènes de sélection homéotique codent des protéines de liaison à l’ADN qui interagissent avec d’autres protéines régulatrices de gènes Les gènes de sélection homéotique sont exprimés séquentiellement selon leur ordre dans le complexe Hox Le complexe Hox est porteur d’un enregistrement permanent d’informations positionnelles Chez les vertébrés aussi, l’axe antéropostérieur est contrôlé par les gènes de sélection Hox Résumé 1314 ORGANOGENÈSE ET FORMATION DES APPENDICES 1315 Les mutations somatiques conditionnelles et induites permettent l’analyse des fonctions des gènes dans les stades avancés du développement Les parties du corps de la mouche adulte se développent depuis des disques imaginaux Les gènes de sélection homéotique sont essentiels pour la mémoire des informations positionnelles dans les cellules du disque imaginal Des gènes régulateurs spécifiques définissent les cellules qui formeront un appendice Le disque de l’aile de l’insecte est divisé en compartiments Quatre voies de signalisation familières s’associent pour former l’organisation du disque de l’aile : Wingless, Hedgehog, Dpp et Notch La taille de chaque compartiment est régulée par des interactions entre ses cellules Des mécanismes similaires forment l’organisation des membres des vertébrés L’expression localisée de classes spécifiques de protéines régulatrices de gènes anticipe la différenciation cellulaire L’inhibition latérale isole des cellules mères sensorielles au sein des agrégats proneuraux L’inhibition latérale entraîne la descendance de la cellule sensorielle mère vers des destins finaux différents La polarité planaire des divisions asymétriques est contrôlée par la signalisation via le récepteur Frizzled Des divisions asymétriques de cellules souches produisent des neurones supplémentaires dans le système nerveux central La division asymétrique des neuroblastes permet la ségrégation d’un inhibiteur de la division cellulaire dans une seule des cellules filles La signalisation par Notch régule l’organisation fine des types cellulaires différenciés dans de nombreux tissus Certains gènes régulateurs clés définissent un type cellulaire ; d’autres peuvent activer le programme de création d’un organe entier Résumé 1316 1316 1317 1318 1319 1319 1320 1321 1321 1322 1323 1324 1325 1325 1326 1327 1327 1328 1328 1329 1330 MOUVEMENTS CELLULAIRES ET MISE EN FORME DU CORPS DES VERTÉBRÉS La polarité de l’embryon d’amphibien dépend de la polarité de l’œuf Le clivage produit de nombreuses cellules à partir d’une seule La gastrulation transforme une balle creuse de cellules en une structure à trois couches, pourvue d’un intestin primitif Les mouvements de la gastrulation sont prévisibles avec précision Des signaux chimiques déclenchent les processus mécaniques 1332 1333 1334 1336 1336 1336 1337 1339 1340 1341 1341 1342 1342 1343 1344 1344 1347 1347 1348 1349 1351 1351 1352 1353 1353 1355 1356 1357 1357 1358 1359 1361 1362 1362 1363 1363 1364 1365 1365 1366 1367 22/11/10 16:29 Sommaire détaillé Des modifications actives du tassement cellulaire fournissent la force qui actionne la gastrulation Des modifications de l’organisation des molécules d’adhésion cellulaire force les cellules à se réorganiser La notochorde s’allonge, tandis que la plaque neurale s’enroule pour former le tube neural Un oscillateur de l’expression génique contrôle la segmentation du mésoderme en somites Un rétrocontrôle négatif retardé est peut-être à l’origine des oscillations de l’horloge de segmentation Les tissus embryonnaires sont envahis d’une façon strictement contrôlée par les cellules en migration La répartition des cellules migrantes dépend de facteurs de survie autant que de signaux de guidage L’asymétrie gauche-droite du corps des vertébrés dérive d’une asymétrie moléculaire de l’embryon dans les premiers stades de développement Résumé LA SOURIS Le développement des mammifères commence par un préambule spécifique L’embryon de mammifère aux premiers stades de son développement est hautement régulateur Des cellules souches embryonnaires totipotentes peuvent être obtenues à partir d’un embryon de mammifère Les interactions entre l’épithélium et le mésenchyme engendrent des structures tubulaires ramifiées Résumé DÉVELOPPEMENT NERVEUX Des caractères différents sont assignés aux neurones selon le moment et leur lieu de naissance Le caractère assigné au neurone à sa naissance détermine les connexions qu’il formera Chaque axone ou dendrite s’allonge par le biais d’un cône de croissance situé à son extrémité Le cône de croissance pilote l’axone en développement le long d’une voie définie avec précision in vivo Les cônes de croissance peuvent modifier leur sensibilité pendant leur déplacement Les tissus cibles libèrent des facteurs neurotropes qui contrôlent la croissance des cellules nerveuses et leur survie La spécificité neuronale guide la formation de plans nerveux ordonnés Les axones des différentes régions de la rétine répondent différemment à un gradient de molécules répulsives du tectum L’organisation diffuse des connexions synaptiques est affinée par des remodelages dépendant de l’activité L’expérience modèle l’organisation des connexions synaptiques dans le cerveau La mémoire adulte et le remodelage des synapses lors du développement pourraient dépendre de mécanismes similaires Résumé DÉVELOPPEMENT DES VÉGÉTAUX Arabidopsis sert d’organisme modèle pour la génétique moléculaire des végétaux Le génome d’Arabidopsis est riche en gènes de contrôle du développement Le développement embryonnaire commence par l’établissement d’un axe racine-pousse, puis s’arrête dans la graine Les méristèmes engendrent successivement les différentes parties du végétal Le développement du jeune plant dépend de signaux environnementaux Des signaux hormonaux à distance coordonnent les événements du développement dans les différentes parties du végétal La forme de chaque nouvelle structure dépend de divisions et d’expansions cellulaires orientées Chaque module du végétal croît à partir d’un groupe microscopique de « primordia » situées dans le méristème Le transport polarisé de l’auxine contrôle le schéma des primordia dans le méristème La signalisation cellulaire entretient le méristème Des mutations régulatrices peuvent transformer la topologie d’un végétal en modifiant le comportement cellulaire dans le méristème Le passage à la floraison dépend de signaux environnementaux passés et présents Les gènes de sélection homéotique spécifient les parties d’une fleur Références Résumé PROFESSEUR_liminaires.indd xxiii xxiii 1368 1369 1370 1371 1373 1373 1375 1376 1377 1378 1378 1380 1380 1381 1382 1383 Chapitre 23 Tissus spécialisés, cellules souches et renouvellement tissulaire 1417 L’ÉPIDERME ET SON RENOUVELLEMENT PAR LES CELLULES SOUCHES Les cellules épidermiques forment une barrière stratifiée imperméable à l’eau Au cours de leur maturation, les cellules épidermiques expriment successivement des gènes différents L’épiderme est renouvelé par des cellules souches situées dans la couche basale Les deux cellules filles d’une cellule souche ne deviennent pas obligatoirement différentes La couche basale contient à la fois des cellules souches et des cellules transitoires amplificatrices Les cellules transitoires amplificatrices font partie d’une stratégie de contrôle de la croissance Les cellules souches de certains tissus gardent leurs brins d’ADN originels La vitesse de division des cellules souches peut augmenter de manière spectaculaire quand il existe un besoin urgent de nouvelles cellules Le renouvellement de l’épiderme est gouverné par de nombreux signaux interagissant entre eux La glande mammaire subit des cycles de développement et de régression Résumé ÉPITHÉLIUMS SENSORIELS 1417 1419 1420 1420 1421 1422 1423 1424 1425 1426 1426 1428 1429 1385 Les neurones olfactifs sensoriels sont continuellement renouvelés 1429 Les cellules auditives ciliées doivent durer toute la vie 1430 La majorité des cellules permanentes renouvellent leurs constituants : les cellules photoréceptrices de la rétine 1432 Résumé 1433 1386 VOIES AÉRIENNES ET INTESTIN 1383 1387 1389 1389 1391 1392 1393 1395 1396 1397 1398 1398 1399 1400 1403 1403 1403 Des types cellulaires adjacents collaborent dans les alvéoles des poumons Cellules caliciformes, cellules ciliées et macrophages collaborent pour entretenir la propreté des voies aériennes Le revêtement de l’intestin grêle s’autorenouvelle plus vite que n’importe quel autre tissu La voie de signalisation Wnt entretient la population de cellules souches intestinales La signalisation par Notch contrôle la diversification des cellules intestinales La signalisation par Éphrine-Eph contrôle les migrations des cellules épithéliales de l’intestin Les voies de signalisation Wnt, Hedgehog, PDGF, et BMP se combinent pour délimiter la niche des cellules souches Le foie fonctionne comme une interface entre l’appareil digestif et le sang La perte de cellules hépatiques stimule la prolifération des cellules hépatiques Le renouvellement des tissus ne dépend pas forcément des cellules souches : cellules sécrétant l’insuline du pancréas Résumé VAISSEAUX SANGUINS, LYMPHATIQUES ET CELLULES ENDOTHÉLIALES Les cellules endothéliales tapissent tous les vaisseaux sanguins et lymphatiques Les cellules endothéliales des extrémités sont les pionnières de l’angiogenèse Différents types de cellules endothéliales forment différents types de vaisseaux Les tissus ayant besoin d’un apport sanguin libèrent VEGF ; la signalisation par Notch entre les cellules endothéliales régule la réponse 1406 SANGUINES 1407 Des signaux en provenance des cellules endothéliales contrôlent le recrutement de péricytes et de cellules musculaires lisses pour former la paroi des vaisseaux Résumé 1408 1409 1410 1412 1413 1415 1415 RENOUVELLEMENT PAR DES CELLULES SOUCHES MULTIPOTENTES : LA FORMATION DES CELLULES SANGUINES Il existe trois catégories principales de globules blancs : les granulocytes, les monocytes et les lymphocytes La production de chaque type de cellule sanguine dans la moelle osseuse est contrôlée individuellement 1434 1434 1434 1436 1438 1439 1440 1441 1442 1443 1444 1445 1445 1445 1446 1447 1448 1450 1450 1450 1450 1451 1453 22/11/10 16:29 xxiv Sommaire détaillé La moelle osseuse contient des cellules souches hématopoïétiques Une cellule souche multipotente donne naissance à toutes les catégories de cellules sanguines La détermination est un processus qui a lieu par étape Les divisions des cellules précurseurs engagées amplifient le nombre de cellules sanguines spécialisées Les cellules souches dépendent de signaux de contact venant des cellules stromales Les facteurs qui régulent l’hématopoïèse peuvent être analysés en culture L’érythropoïèse dépend de l’hormone érythropoïétine De multiples CSF influent sur la production des neutrophiles et des macrophages Le comportement d’une cellule hématopoïétique dépend en partie du hasard La régulation de la survie d’une cellule est aussi importante que celle de sa prolifération Résumé GENÈSE, MODULATION ET RÉGÉNÉRATION DU MUSCLE SQUELETTIQUE 1454 1456 1456 1457 1458 1459 1459 1460 1461 1462 1462 1463 La fusion des myoblastes donne naissance aux nouvelles cellules du muscle squelettique 1464 Les cellules musculaires peuvent moduler leurs propriétés en modifiant les isoformes des protéines qu’elles contiennent 1465 Les fibres musculaires squelettiques sécrètent de la myostatine pour limiter leur propre croissance 1465 Certains myoblastes persistent en tant que cellules souches quiescentes chez l’adulte 1466 Résumé 1467 LES FIBROBLASTES ET LEURS TRANSFORMATIONS : LA FAMILLE DES CELLULES DU TISSU CONJONCTIF Les fibroblastes modifient leur caractère en réponse à des signaux chimiques La matrice extracellulaire pourrait agir sur la différenciation des cellules du tissu conjonctif en modifiant la forme et l’ancrage des cellules Les ostéoblastes sécrètent la matrice osseuse La plupart des os sont construits autour d’un modèle de cartilage L’os est continuellement remodelé par les cellules qu’il contient Les ostéoclastes sont contrôlés par des signaux en provenance des ostéoblastes Les cellules adipeuses peuvent se développer à partir des fibroblastes La leptine sécrétée par les adipocytes opère un rétrocontrôle pour réguler l’ingestion de nourriture Résumé INGÉNIERIE DES CELLULES SOUCHES Les cellules souches hématopoïétiques peuvent être utilisées pour remplacer des cellules sanguines malades par des cellules saines Des populations de cellules souches épidermiques peuvent être multipliées en culture et servir à la réparation tissulaire Les cellules souches nerveuses peuvent être manipulées en culture Les cellules souches nerveuses peuvent repeupler le système nerveux central Les cellules souches du corps adulte présentent une spécificité tissulaire Les cellules ES peuvent être utilisées pour former n’importe quelle partie du corps Les cellules ES spécifiques d’un patient pourraient résoudre le problème du rejet immunitaire Les cellules ES sont aussi utiles à la découverte de médicaments et à l’analyse des maladies Résumé Références Chapitre 24 Agents pathogènes, infection et immunité innée INTRODUCTION AUX AGENTS PATHOGÈNES Les agents pathogènes ont développé des mécanismes spécifiques pour interagir avec l’hôte Les signes et les symptômes d’une infection peuvent être provoqués par l’agent pathogène ou par les réponses de l’hôte D’un point de vue phylogénétique, les agents pathogènes sont variés Les bactéries pathogènes sont porteuses de gènes de virulence spécifiques Les champignons et les protozoaires parasites ont des cycles de vie complexes avec des formes multiples PROFESSEUR_liminaires.indd xxiv 1467 1467 1468 1469 1470 1472 1473 1474 1475 1476 1476 1477 1477 1478 1478 1479 1480 1481 1482 1482 1483 Tous les aspects de la propagation des virus dépendent de la machinerie de la cellule hôte Les prions sont des protéines infectieuses Les agents des maladies infectieuses sont liés au cancer, aux maladies cardiaques et à d’autres maladies chroniques Résumé BIOLOGIE CELLULAIRE DE L’INFECTION Les germes pathogènes traversent les barrières protectrices pour coloniser l’hôte Les agents pathogènes qui colonisent les épithéliums doivent éviter leur élimination par l’hôte Les agents pathogènes intracellulaires ont des mécanismes qui leur permettent d’entrer et de sortir de la cellule hôte Les particules virales se fixent sur des molécules exposées à la surface de la cellule hôte Les particules virales entrent dans les cellules hôtes par fusion membranaire, formation d’un pore ou rupture membranaire Les bactéries entrent dans les cellules hôtes par phagocytose Les parasites eucaryotes intracellulaires envahissent activement les cellules hôtes De nombreux agents pathogènes modifient le transport membranaire dans la cellule hôte Les virus et les bactéries utilisent le cytosquelette de la cellule hôte pour leur déplacement intracellulaire Les virus prennent la direction du métabolisme de la cellule hôte Les agents pathogènes peuvent modifier le comportement de l’organisme hôte pour faciliter leur dissémination Les agents pathogènes évoluent rapidement Les variations antigéniques d’un agent pathogène se font par des mécanismes multiples Les erreurs de réplication dominent l’évolution virale Les agents pathogènes résistants aux médicaments posent un problème croissant Résumé BARRIÈRES CONTRE L’INFECTION ET SYSTÈME IMMUNITAIRE INNÉ Les surfaces épithéliales et les défensines aident à éviter l’infection Les cellules humaines reconnaissent des caractéristiques conservées des agents pathogènes L’activation du complément marque les agents pathogènes en vue de la phagocytose ou de la lyse Les protéines de type Toll et les protéines NOD forment une ancienne famille de récepteurs de reconnaissance du motif Les cellules phagocytaires recherchent, phagocytent et détruisent les agents pathogènes Les macrophages activés contribuent à la réponse inflammatoire sur le site d’infection Les cellules infectées par un virus prennent des mesures drastiques pour éviter sa réplication Les cellules tueuses naturelles induisent le suicide des cellules infectées par un virus Les cellules dendritiques sont un lien entre les systèmes immunitaires inné et adaptatif Références Résumé Chapitre 25 Le système immunitaire adaptatif LYMPHOCYTES ET BASES CELLULAIRES DE L’IMMUNITÉ ADAPTATIVE 1487 Les lymphocytes sont nécessaires à l’immunité adaptative Les systèmes immunitaires, inné et adaptatif, agissent ensemble Les lymphocytes B se développent dans la moelle osseuse, les lymphocytes T dans le thymus Le système immunitaire adaptatif agit par sélection clonale La plupart des antigènes activent beaucoup de clones de lymphocytes différents La mémoire immunologique implique à la fois l’expansion clonale et la différenciation des lymphocytes La tolérance immunologique assure que les antigènes propres à un individu ne soient pas attaqués Les lymphocytes circulent continuellement entre les organes lymphoïdes périphériques Résumé 1488 LYMPHOCYTES B ET ANTICORPS 1485 1486 1486 1489 1494 Les lymphocytes B produisent des anticorps à la fois sous forme de récepteurs cellulaires de surface et d’anticorps sécrétés Un anticorps typique possède deux sites identiques de liaison à l’antigène 1496 1498 1499 1501 1501 1501 1502 1504 1505 1506 1507 1508 1511 1514 1517 1518 1518 1519 1520 1521 1524 1524 1525 1526 1528 1530 1531 1533 1534 1535 1536 1537 1537 1539 1540 1540 1541 1543 1544 1545 1545 1547 1549 1551 1551 1552 1552 22/11/10 16:29 Sommaire détaillé Une molécule d’anticorps est composée de chaînes légères et de chaînes lourdes Il existe cinq classes de chaînes lourdes, qui ont chacune des propriétés biologiques différentes La force de l’interaction anticorps-antigène dépend du nombre et de l’affinité des sites de liaison à l’antigène Les chaînes légères et lourdes sont composées de régions constantes et de régions variables Les chaînes légères et les chaînes lourdes sont composées de domaines Ig répétitifs Le site de liaison à l’antigène est construit à partir de boucles hypervariables Résumé CRÉATION DE LA DIVERSITÉ DES ANTICORPS Les gènes des anticorps sont assemblés à partir de segments géniques séparés pendant le développement des lymphocytes B La réunion imprécise des segments géniques augmente fortement la diversité des régions V Le contrôle de la recombinaison V(D)J assure la monospécificité des lymphocytes B L’hypermutation somatique entraînée par les antigènes affine les réponses des anticorps Les lymphocytes B peuvent modifier la classe d’anticorps qu’ils produisent Résumé LYMPHOCYTES T ET PROTÉINES CMH Les récepteurs des lymphocytes T (TCR) sont des hétérodimères de type anticorps La présentation de l’antigène par les cellules dendritiques peut soit activer les lymphocytes T, soit les rendre tolérants Les lymphocytes T cytotoxiques effecteurs conduisent les cellules cibles infectées au suicide Les lymphocytes T effecteurs helper facilitent l’activation des autres cellules des systèmes immunitaires inné et adaptatif Les lymphocytes T régulateurs inhibent l’activité des autres lymphocytes T Les lymphocytes T reconnaissent les peptides étrangers liés aux protéines CMH Les protéines CMH ont été identifiées au cours des réactions de transplantation, avant même que leur fonction ne soit connue Les protéines CMH de classe I et de classe II sont des hétérodimères de structure similaire PROFESSEUR_liminaires.indd xxv xxv 1552 1553 1557 1558 1559 1560 1561 1562 1562 1564 1565 1566 1567 1568 1569 1570 1571 1572 1573 1574 1575 1575 1576 Une protéine CMH fixe un peptide et interagit avec un récepteur d’un lymphocyte T Les protéines CMH dirigent les lymphocytes T vers leurs cibles appropriées Les corécepteurs CD4 et CD8 se fixent sur des parties invariables des protéines CMH Les lymphocytes T cytotoxiques répondent à des fragments de protéines cytosoliques étrangères, associés aux protéines CMH de classe I Les lymphocytes T helper répondent à des fragments de protéines étrangères endocytés et associés aux protéines CMH de classe II Les lymphocytes T potentiellement utiles sont sélectionnés positivement dans le thymus La plupart des lymphocytes T cytotoxiques et helper en développement qui pourraient être activés par les peptides non étrangers sont éliminés dans le thymus Certaines protéines spécifiques d’organes sont exprimées de façon ectopique dans la médullaire du thymus La fonction des protéines CMH permet d’expliquer leur polymorphisme Résumé LYMPHOCYTES T HELPER ET ACTIVATION DES LYMPHOCYTES Les cellules dendritiques activées utilisent plusieurs mécanismes pour activer les lymphocytes T L’activation des lymphocytes T est contrôlée par un rétrocontrôle négatif Les sous-classes de lymphocytes T helper effecteurs déterminent la nature de la réponse immunitaire adaptative Les lymphocytes TH1 activent les macrophages infectés et stimulent une réponse inflammatoire La fixation d’un antigène à un récepteur de lymphocytes B (BCR) n’est qu’une étape de l’activation des lymphocytes B Les lymphocytes T helper spécifiques de l’antigène sont essentiels pour l’activation de la plupart des lymphocytes B Une classe spéciale de lymphocytes B reconnaît des antigènes indépendants des lymphocytes T Les molécules de reconnaissance immunitaire appartiennent à l’ancienne superfamille des Ig Résumé Références 1577 1579 1580 1581 1583 1585 1586 1587 1588 1588 1589 1590 1591 1592 1594 1595 1597 1598 1599 1600 1600 22/11/10 16:29
