Cellules souches animales Cellules méristématiques
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Cellules souches animales et Cellules méristématiques Définitions • La cellule est l’unité élémentaire des êtres vivants • L’homme est constitué d’~100.1012 cellules appartenant à 200 types différents • Une cellule différenciée est caractérisée par une forme et une fonction qui lui sont spécifiques • Les cellules différenciées sont regroupées en tissus, chacun d’eux étant composé d’un petit nombre de types cellulaires • Une cellule différenciée ne se divise pas Renouvellement cellulaire chez l’adulte • Bien que la majorité des 100.1012 cellules d’un homme adulte ne se divisent plus, à chaque seconde, plus de 20.106 cellules de l’ organisme se divisent pour maintenir constant le nombre de cellules (remplacement des cellules qui disparaissent par vieillissement ou lésion) • Le renouvellement à lui seul des globules rouges nécessite 2.106 divisions cellulaires par seconde Les cellules qui se divisent sont les cellules souches • Une cellule souche est une cellule qui reste capable de se diviser tout au long de la vie de l’individu, assurant le renouvellement des cellules Qu’est-ce qu’une cellule souche? • Une cellule souche est une cellule indifférenciée capable de s’auto-renouveler et de produire d’autres cellules qui s’engagent dans une ou plusieurs voies de différenciation. Tous les êtres vivants pluricellulaires (animaux et végétaux) possèdent des cellules souches. Population croissante de cellules en transit Deux moyens possibles pour l’auto renouvellement Division asymétrique Division symétrique Cellules souches animales L’histoire des cellules souches • • • • • • • • • • • La notion de cellule souche est née au XIXème siècle, elle était confinée à la biologie du développement 1950-1960s le concept de cellules souches adultes est avancé pour rendre compte du renouvellement du sang ou de la peau 1961 découverte des premières cellules souches sanguines 1964 découverte de cellules souches dans les carcinomes embryonnaires 1968 première greffe de moelle osseuse 1968 première fécondation in vitro 1981 obtention des premières lignées de cellules souches chez la Souris 1984 obtention de lignées cellulaires humaines 1995 obtention de cellules souche embryonnaires (ES) chez le singe Rhésus 1998 obtention de lignées de cellules ES humaines 2004 obtention de lignées de cellules ES humaines à partir de clones Les cellules souches se distinguent par: -leurs propriétés -leur origine Propriétés des cellules souches TOTIPOTENCE : Tous les types cellulaires y compris les cellules extra-embryonnaires PLURIPOTENCE : Toutes les cellules spécialisées d’un individu MULTIPOTENCE : Plusieurs types de cellules spécialisées UNIPOTENCE : Un seul type de cellules spécialisées Origine des cellules souches Embryon - fœtus Formation des organes et des tissus (200 types cellulaires différents - acquisition de fonctions spécialisées et organisées organogenèse) Adulte Le renouvellement, la régénération, la réparation des tissus, afin d’assurer la pérennité des fonctions physiologiques Embryonnaires Germinales Adultes Les cellules souches embryonnaires Cellule souche embryonnaire (cellule ES) • capacité d’auto-renouvellement • pluripotente (capacité à générer tous les types de cellules spécialisées) Intérêt Obtention d’une lignée de cellules embryonnaires Différenciation en cellules spécialisées pour réparer une fonction Comment les obtenir? Intérêt des cellules souches embryonnaires • capacité illimitée de multiplication (expression de OCT4 et Nanog) • capacité de différenciation modulable Mais • • • • • origine des embryons ? rejet ? homogénéité du processus de différenciation ? stabilité de la différenciation ? tumeur (tératome) ? Les cellules souches germinales Cellule souche germinale (cellule EG) Source : fœtus (8 -10 semaines) • origine : Crête Génitale - gonadal ridge (cellules germinales primordiales) • capacité d’auto-renouvellement • pluripotente (formation in vitro de corps embryoïdes contenant de multiples types de cellules spécialisées) Intérêt Différenciation en cellules spécialisées pour réparer une fonction, mais instabilité en culture Les cellules souches adultes Les cellules souches adultes Source : tissu adulte spécialisé • capacité d’auto-renouvellement, mais limitée • capacité à générer des cellules spécialisées • unipotente (un type de cellules spécialisées) ou multipotente (plusieurs types de cellules spécialisées) (pluripotente ? toutes les cellules spécialisées) But thérapeutique: réparer une fonction déficiente • Reconstitution du tissu d’origine (moëlle osseuse, peau, cartilage, muscle, neurones…) • Reconstitution d’un tissu autre que celui d’origine (PLASTICITE) Des potentiels insoupçonnés • Les cellules souches de la moelle osseuse peuvent se différencier en cellules nerveuses, hépatiques, musculaires (muscle cardiaque et squelettique),etc… Plasticité ou fusion cellulaire?… Applications thérapeutiques des cellules souches Thérapie cellulaire diabète brûlures maladie de Parkinson infarctus du myocarde maladies du sang myopathies perte de cartilage, perte osseuse cancer Thérapie génique des maladies héréditaires Mais aussi, les cellules souches pour… Comprendre Etudier les pathologies prolifération migration différenciation mort cellulaire morphogenèse renouvellement des tumeurs bénignes des tumeurs malignes (cancer) en toxicologie Cellules souches adultes vs cellules souches embryonnaires • CS embryon CS adulte – pluripotentes (+) – prolifération (+) – multipotentes – prolifération limitée – non autologues – problèmes éthiques – tumorigènes – autologues (+) – pas de controverse (+) – non-tumorigènes (+) Réglementation et bioéthique Bioéthique • La bioéthique est une recherche de normes morales applicables à la recherche biologique et à tout ce qui concerne les manipulations techniques du vivant: elle est contrôlée par la loi • L’état de la législation est très variable dans le monde et même au sein des différents états européens Réglementation et bioéthique en France 6 Août 2004 Clonages reproductif et thérapeutique : interdiction Recherche sur l’embryon : interdiction suspendue Les méristèmes végétaux Contrairement à ce qui est observé chez les animaux, le plan final d’organisation des plantes est établi après l’embryogenèse grâce à l’activité des méristèmes Définitions • • • • Chez les embryophytes (plantes vertes), un méristème est un tissu constitué de cellules indifférenciées capable de s’auto entretenir à l’état indifférencié et de donner des précurseurs pouvant entrer en différenciation Les méristèmes sont à l’origine de tous les tissus et organes de la plante y compris la lignée germinale Les méristèmes fonctionnent pendant toute la vie de la plante On distingue les méristèmes primaires – responsables de la croissance en longueur • Les méristèmes secondaires – responsables de la croissance en diamètre des organes • Les cellules méristématiques ont des fonctions analogues aux cellules souches des animaux, mais chez les plantes, la distinction entre cellules souches et cellules différenciées est moins marquée ( possibilité de dédifférenciation) MAC: Méristème apical caulinaire Les méristèmes végétaux Méristèmes fondamentaux Méristèmes secondaires Méristèmes accessoires cambiums Floraux Latéraux Racinaires II MAR : méristème apical racinaire Organisation et fonctions du MAC Le méristème apical caulinaire: A. thaliana Méristème apical chez Arabidopsis thaliana Le méristème apical caulinaire: A. thaliana Diapositive 12 2 ZC zone centrale ZP zone périphérique ZM zone médullaire Organisation et fonctions du MAR épiderme endoderme tissu vasculaire péricycle cortex cellules « souches » scent QC = centre quie coiffe Organisation spatiale du MAR Régulation de l’activité des cellules souches dans les méristèmes Modèle de fonctionnement du méristème apical caulinaire chez A. thaliana • • • STM Clavata 1 (CLV1) code pour une protéine réceptrice de type kinase Clavata 2 (CLV2) code pour une protéine partenaire de CLV1 Clavata 3 (CLV3) est le ligand de l’hétérodimère CLV1/CLV2 WUS wuschel (gène à homéodomaine) STM shoot meristemless (gène à homéodomaine) OC centre organisateur Modèle de fonctionnement du méristème apical racinaire chez A. thaliana SCR : scarecrow QC: centre quiescent Le maintien de l’état indifférencié • Les cellules souches ont des propriétés communes – elles se renouvellent – elles ont la possibilité de se différencier en cellules matures – le maintien de leur état indifférencié dépend de leur environnement Chez les animaux Les cellules souches hématopoïétiques • Toutes les cellules sanguines dérivent de cellules souches hématopoïétiques • Le renouvellement des cellules sanguines nécessite que les cellules souches soient actives pendant toute la vie Le lignage des cellules souches hématopoïétiques La moelle osseuse et le concept de la niche S La moelle osseuse et le concept de la niche La moelle osseuse et le concept de la niche • L’irradiation de la moelle osseuse est létale, le sauvetage est assuré par une greffe de cellules de moelle osseuse • Les cellules greffées colonisent la rate • Cependant des transplantations de rate ne peuvent pas régénérer tous les types de cellules sanguines • Il y a donc dans la moelle osseuse des éléments essentiels au maintien de la population des cellules souches sanguines, d’où le concept de la niche (Schofeld 1978) Concept de niches Environnement stable pour les cellules souches Les niches sont des ensembles de tissus et de matrices extracellulaires qui peuvent indéfiniment héberger des cellules souches et contrôler leur auto-renouvellement et leur production cellulaire in vivo. La niche des CSH en 2005 Cellules souches épithéliales Les cellules souches intestinales Elles sont localisées à la base des cryptes intestinales ~ 300 nouvelles cellules/jour La niche dans la crypte Les cellules mésenchymateuses émettent un signal Les BMPs inhibent l’autorenouvellement des cellules souches Un inhibiteur de BMP: Noggin! : Cellules souches Cellules souches Neurales Zone subventriculaire SVZ Zone subgranulaire SGZ Les astrocytes sont les cellules souches Les rôles de la niche • • • • Protèger les cellules souches Permettre les divisions asymétriques qui déclenchent la différenciation des cellules filles, mais conservent les cellules souches Les molécules d’adhésion ancrent les cellules souches à la niche – cadhérines – etc… Des molécules de signalisation communes contrôlent le nombre et l’état des cellules souches: – Wnt, BMP Les spermatogonies souches de Drosophile adhèrent aux cellules somatiques de la niche via des jonctions d’adhérence Chez les végétaux • Les deux niches les plus étudiées sont celles – du méristème caulinaire – du méristème racinaire chez Arabidopsis thaliana Validité du concept de cellules souches végétales • La comparaison est difficile avec les cellules souches animales car: dédifférenciation aisée l’expression ectopique de Wus et STM dans des tissus différenciés provoquent la formation de nouveaux méristèmes des racines secondaires se forment à partir des méristèmes néoformés au sein des cellules différenciées la culture in vitro à partir d’une cellule somatique régénère une plante entière Intérêt? Comprendre l’acquisition de ces mécanismes par les eucaryotes au cours de l’évolution Cellules souches animales Perspectives
