PACES UE 2 La cellule et les tissus : Prolifération-Différenciation

19 Prolifération – Différenciation

  1. Définitions
  2. Hiérarchie dans le monde des cellules souches
  3. Cas particulier des iPS
  4. Comment définir une cellule souche
  5. Notion de niche cellulaire

L’homéostasie tissulaire normale est maintenue grâce à un équilibre étroitement contrôlé entre la mort et le renouvellement des cellules. Le maintien de cette balance à l’équilibre implique l’existence de cellules capables de s’autorenouveler ou de se différencier. Les cellules souches adultes et les cellules progénitrices assurent ces cycles biologiques de renouvellement et de différenciation en étant les unités fonctionnelles de régénération impliquées dans l’homéostasie et la réparation tissulaire. Des cellules souches spécifiques de tissus ont été décrites pour la première fois dans le système hématopoïétique en 1964 par Lajtha et al. Ces derniers ont introduit le concept de cellules souches multipotentes capables d’effectuer une division asymétrique donnant naissance à une cellule souche et une cellule différenciée. Ces cellules souches sont par définition capables de reconstituer tous les types cellulaires différenciés du système hématopoïétique. De cette découverte initiale a émergé le concept d’une véritable « hiérarchisation cellulaire » dans les tissus. Au sommet de cette hiérarchie se trouve une cellule souche résidente indifférenciée capable d’effectuer une mitose asymétrique produisant une cellule souche fille (cellule immature identique à la cellule mère) rendant ainsi « pérenne » le stock de cellules souches, et une cellule progénitrice engagée dans les voies de la différenciation. Il existe donc de nombreux types de cellules souches capables de s’autorenouveler avec des potentialités de différenciation plus ou moins restreintes.

I Définitions

Ainsi deux caractéristiques essentielles définissent les cellules souches et les distinguent des autres types cellulaires:

  • Une cellule souche est une cellule non spécialisée qui se renouvelle pendant de longues périodes par division cellulaire; cette propriété évite le tarissement du réservoir de cellules souches (capacité d’autorenouvellement)
  • Sous certaines conditions physiologiques, physiopathologiques ou expérimentales, la cellule souche est capable de se différencier en cellule spécialisée, par exemple en un hépatocyte produisant des facteurs de la coagulation, une cellule pancréatique produisant de l’insuline ou un neurone produisant une activité électrique (capacité de différenciation) (fig. 19.1)

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Fig. 19.1

Fig. 19.1 Division asymétrique d’une cellule souche. En 1, la cellule souche (CS) se divise en donnant une cellule souche fille et une cellule différenciée fille. En 2, la cellule différenciée fille peut encore se diviser et donner une cellule fille identique à la mère et une cellule davantage (ou complètement) mature. En 3, la cellule mature exerce son activité (ici, il s’agit d’une cellule épithéliale). La seule évolution possible est la mort cellulaire par apoptose (4).

Les cellules souches se distinguent selon leur origine (embryonnaire, fœtale, amniotique, adulte) et selon le nombre de types cellulaires différents qu’elles sont capables de produire (cellules toti-, pluri-, multi-, tri-, bi- ou monopotentes).

Trois grands types de cellules souches ont été particulièrement caractérisés:

  • Les cellules souches embryonnaires totipotentes (ES, embryonic stem cells)
  • Les cellules souches fœtales comprenant des cellules souches somatiques et des cellules germinales (EG, embryonic germ cells)
  • Les cellules souches des tissus adultes

Les cellules souches embryonnaires se distinguent des cellules souches adultes par une propriété essentielle: elles ont la possibilité de donner naissance à tous les tissus de l’organisme incluant la lignée germinale. Les cellules souches adultes sont, quant à elles, déjà engagées dans un programme tissulaire spécifique, ce qui explique leur hétérogénéité et même si certaines d’entre elles peuvent conduire à la formation ou à la régénération de tissus distincts (multipotence), elles ne sont pas comme leurs homologues embryonnaires, totipotentes.

II Hiérarchie dans le monde des cellules souches

Les cellules souches sont des cellules qui, placées dans un environnement tissulaire approprié, sont capables de se multiplier et de produire des cellules spécialisées présentant une structure et des fonctions spécifiques du tissu considéré. Dans le cas des mammifères, seul le zygote, stade initial de l’embryon, et les cellules provenant des premières divisions de l’ovule fécondé, jusqu’au quatrième jour de développement (stade morula), sont dits totipotents car ils possèdent la propriété de se différencier en n’importe quelle cellule spécialisée conduisant au développement d’un individu entier.

Les cellules souches (CS) pluripotentes donnent naissance à l’ensemble des tissus issus des trois feuillets embryonnaires (endoderme, mésoderme et ectoderme) mais ne produisent pas les annexes embryonnaires (placenta et membranes). À titre d’exemple, dans l’embryon, les CS pluripotentes correspondent aux cellules de l’épiblaste, localisées au cœur de la masse cellulaire interne du blastocyste. Les CS multipotentes ont un potentiel de différenciation réduit comparé à celui des CS pluripotentes. Engagées dans un programme de différenciation spécifique de tissu, elles sont présentes dans l’embryon et chez l’adulte. Les CS hématopoïétiques à l’origine des globules rouges, des plaquettes, des lymphocytes et des macrophages, ou encore les CS mésenchymateuses à l’origine des adipocytes, des ostéoblastes, des chondrocytes, des cellules musculaires lisses et des cellules endothéliales représentent quelques exemples de CS multipotentes.

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Fig. 19.2 Cliquez sur l’image pour l’agrandir

Les CS tripotentes sont capables de différencier en trois types cellulaires. C’est notamment le cas des CS chrondro-ostéo-adipogéniques présentes dans la moelle osseuse. Les CS bipotentes sont capables de se différencier en deux types cellulaires, comme les CS adipofibroblastes du tissu adipeux, les CS chondro-ostéogéniques de la moelle osseuse ou encore les CS hépatobiliaires du foie. Enfin, les CS uni- ou monopotentes peuvent également s’autorenouveler et donnent naissance à un seul type cellulaire. Les adipoblastes, les cellules chondrogéniques du périchondre et les cellules ostéogéniques du périoste constituent quelques exemples de CS monopotentes (fig. 19.2).

Fig. 19.2 Schéma illustrant la hiérarchie des cellules souches selon leur potentiel de différenciation. Les cellules souches pluripotentes ont la capacité de former tous les types cellulaires d’un lignage embryonnaire donné; elles exprimeront les marqueurs phénotypiques spécifiques de ce lignage. Les cellules progénitrices engagées dans un lignage cellulaire particulier vont former les types cellulaires spécifiques de ce lignage avec un temps de doublement des populations cellulaires estimé entre 50 et 70 avant d’atteindre la sénescence ou la mort cellulaire. Pour un lignage donné, le compartiment souche comprend des cellules multipotentes, tripotentes, bipotentes et monopotentes.

Source: arbre décisionnel d’après Young HE, Black AC Jr. Adult stem cells. Anat Rec A Discov Mol Cell Evol Biol 2004 Jan ; 276(1) : 75–102.

III Cas particulier des iPS

La différenciation des cellules souches est un mécanisme qui permet aux êtres vivants de renouveler leurs tissus. C’est un processus qui a longtemps été considéré comme irréversible, un point de non-retour. En vérité, il n’en est rien, et des cellules adultes nommées cellules iPS (cellules souches pluripotentes induites, induced pluripotent stem cells) sont capables de présenter des caractéristiques et un potentiel similaires aux cellules embryonnaires. La démonstration en a été faite en 2006 lorsque l’équipe de Yamanaka a reprogrammé des cellules somatiques humaines adultes (peau) en des cellules pluripotentes induites iPS capables de se multiplier indéfiniment et de se (re)différencier en cellules de n’importe quel organe. L’introduction de quatre gènes de pluripotence (Oct 3/4, Sox 2, Klf4 et c-Myc), qui ne sont pas exprimés dans les cellules somatiques adultes normales, a suffi pour que ces dernières acquièrent une nouvelle immaturité, et soient maintenant capables d’autorenouvellement et de différenciation dans tous les types cellulaires possibles. Il a été par la suite montré expérimentalement qu’il était possible de modéliser in vitro certaines maladies génétiques en produisant des cellules iPS à partir de cellules somatiques provenant de malades, de corriger in vitro le défaut génétique à l’origine de la maladie, de redifférencier les cellules iPS génétiquement modifiées pour les ré-injecter aux donneurs.

IV Comment définir une cellule souche

Une cellule souche n’exprime aucune spécialisation, on dit qu’elle est indifférenciée. Elle n’exprime aucun marqueur de surface spécifique, aucun transcrit (ARN messager) spécifique, mais une communauté de gènes dont la transcription est particulièrement active à ce stade immature et qui contrôlent le métabolisme des ARN, la réparation de l’ADN, les voies de signalisation en aval du récepteur Notch, des récepteurs de cytokines et les effecteurs du cycle cellulaire.

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Fig 19.3 Cliquez sur l’image pour l’agrandir

Les cellules souches ne peuvent donc être identifiées que par leur fonction: proliférer et créer un embryon ou bien pérenniser chez l’adulte la diversité des compartiments fonctionnels d’un tissu durant la vie de l’individu en produisant un large spectre de cellules différenciées. D’où la nécessité de caractériser leur descendance in vitro et/ou in vivo. Il s’agit donc d’une identification indirecte et rétrospective (fig. 19.3).


Fig. 19.3 Identification expérimentale des cellules souches: mise en évidence des propriétés de prolifération et de différenciation. Les cellules souches sont placées dans des conditions in vitro et in vivo qui permettent l’expression de toutes leurs capacités de prolifération et de différenciation, ce qui n’est pas simple compte tenu de la multiplicité des « environnements » cellulaires requis pour chaque voie de différenciation, de leur spécificité, et de leur fréquente incompatibilité.

Une cellule souche tissulaire est capable d’assurer l’homéostasie pendant toute la vie de l’individu, c’est-à-dire maintenir physiologiquement un organe, un tissu ou un système biologique en effectuant toutes les modifications compensatoires nécessaires à la pérennité de l’organe et de sa fonction. Elle remplit cette fonction, d’une part, en se multipliant à l’identique (maintien du réservoir de cellules souches adultes) et, d’autre part, en se différenciant, acquérant ainsi les caractéristiques du tissu à réparer ou à régénérer. Des cellules souches répondant à cette définition et capables de réparer les tissus ont été identifiées chez l’homme. Il s’agit de cellules souches nerveuses, hématopoïétiques, épidermiques, intestinales, osseuses, pancréatiques, hépatobiliaires, musculaires lisses, –>musculaires squelettiques. Les cellules souches de trois tissus (sang, peau et intestin) fonctionnent en permanence durant toute la vie pour renouveler très régulièrement l’ensemble des types cellulaires composant ces tissus. Quant aux cellules souches des autres organes cités, elles ne sont activées que lorsque des signaux de réparation leur parviennent.

De nombreux travaux expérimentaux réalisés in vitro et in vivo après transplantation chez l’animal ont permis d’attribuer aux cellules souches adultes les caractéristiques suivantes:

  • Elles ne sont pas considérées comme pluripotentes et sont généralement programmées pour un tissu donné
  • Elles ne se multiplient pas à l’infini à l’état indifférencié
  • Elles sont très hétérogènes compte tenu de la diversité des tissus de l’organisme auxquels elles appartiennent

Certaines sont multipotentes: elles peuvent produire des cellules de morphologie et de fonction très différentes, généralement groupées au sein d’un même organe ou tissu. C’est le cas des cellules souches hématopoïétiques, qui produisent toutes les cellules sanguines: globules rouges, globules blancs, lymphocytes et certaines structures vasculaires. C’est aussi le cas des cellules souches nerveuses, qui produisent les neurones, mais aussi les cellules accessoires du système nerveux (astrocytes, oligodendrocytes). D’autres sont au contraire unipotentes. Elles ne produisent qu’un seul type de cellules: il en est ainsi des cellules de l’épiderme qui ne produisent que des kératinocytes. D’autres enfin ont un potentiel intermédiaire: c’est le cas des cellules souches mésenchymateuses, localisées dans la moelle osseuse qui sont à l’origine des cellules osseuses, cartilagineuses, et peut-être musculaires; ou encore des hépatocytes fœtaux, qui produisent des hépatocytes et des cellules biliaires.

V Notion de niche cellulaire

Les cellules souches sont localisées dans des micro-environnements locaux, appelés niches, qui les protègent et avec lesquels elles établissent un vrai dialogue moléculaire. Ces niches sont composées des cellules souches elles-mêmes, des signaux provenant de la matrice extracellulaire et d’autres types cellulaires de soutien qui produisent un environnement riche en divers facteurs moléculaires responsables du maintien de l’état indifférencié des cellules souches. La plupart des cellules souches prolifèrent assez peu dans la niche dans laquelle elles se trouvent. Elles doivent sortir de cet environnement cellulaire pour proliférer intensément et se différencier. Un contact intime entre les cellules souches et les cellules de soutien est crucial pour le maintien des cellules souches dans un état indifférencié, mais aussi leur maintien dans le compartiment niche. À cet égard, les cadhérines jouent un rôle très important, puisqu’il a été montré chez les mutants de l’E-cadhérine chez la Drosophile que les cellules de soutien ne sont plus capables de recruter et maintenir les cellules souches dans la niche. Il a été de plus montré que ce rôle particulier des molécules d’adhésion a été conservé au cours de l’évolution. Dans la moelle osseuse, les cellules souches hématopoïétiques sont maintenues en contact étroit avec les cellules du stroma, alignées à la paroi interne de l’os. Au cours de leur maturation, elles se détachent des cellules stromales et se dirigent vers le centre de l’os, où elles sont emportées par les vaisseaux sanguins. Chez la souris, on a montré que la capacité de prolifération des cellules souches hématopoïétiques dépend largement des liaisons établies entre les cellules souches et les ostéoblastes du stroma via la N-cadhérine. D’autres molécules d’adhésion, comme les intégrines, sont elles aussi impliquées dans le maintien de l’état indifférencié. Ces données illustrent l’importance du contact cellulaire entre les cellules de soutien et les cellules souches elles-mêmes.

Vous venez de lire le chapitre 19 Prolifération – Différenciation de l’ouvrage UE 2 – La cellule et les tissus – Cours

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