L'Essentiel de La Biologie Cellulaire - 2022 [PDF]

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L'essentiel de la biologie cellulaire Rappels de cours QCM corrigés Commentaires et conseils

Steve Lancel

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L'essentieI de la biologie cellulaire Rappels de cours et QCM corrigés

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DANGER PHOTOCOP LLAGE TUELELIVRE

Le Code de la propriété intellectuelle n'autorisant, aux termes de l'article L. 122-5.2° et 3°a), d`une part, que les La cellule est la plus petite unité de base du vivant > Une cellule provient d'°une cellule préexistante > Une cellule est le siège du métabolisme et de l'hérédité Deux grands types de cellules : > Procaryote 1 pas de noyau délimité > Eucaryote : un noyau vrai Trois domaines du vivant : > Bactéries : O Appartiennent aux procaryotes O Information génétique sous forme d'°ADN double brin circulaire O Pas d'°organite O Présence d'°une paroi bactérienne composée de peptidoglycanes O Présence d'°appendices protéiques de type plus ou flagelle > Archées : O Appartiennent aux procaryotes o Séquence de l°ARN l6s différente de celle des bactéries O Paroi composée de pseudopeptidoglycanes o Voies métaboliques et milieux de vie particuliers > Eucaryotes : O ADN sous forme linéaire O Présence d'°histones O Présence d°un noyau délimité par une enveloppe nucléaire O Présence d'organites 1 mitochondries, réticulum endoplasmique, lysosome,

QCM - Introduction à la biologie cellulaire 1. Apparition de la vie (I)

a

B C D. E.

La vie sur Terre est apparue il y a 5 milliards d'années. Les premières cellules ont été apportées par des météorites. L'ADN est la première biomolécule à l'origine de la vie. Les ARN pourraient être à l'origine de la vie. Les ARN peuvent avoir des activités enzymatiques.

2. Apparition de la vie (II)

A E

La cellule ancestrale aurait été une cellule eucaryote. La cellule ancestrale aurait été de type procaryote. L'ADN est plus stable que l'ARN. D. La première cellule possédait environ 6000 gènes. E- Des lipides auraient permis d'encapsuler acides nucléiques et protéines pour former la cellule primitive.

c

3. Théorie cellulaire chi I

A La cellule est la plus petite entité du vivant. E. La cellule est le siège du métabolisme.

c

Une cellule provient d'une cellule pré-existante.

D. Une cellule contient une information génétique. E. Une cellule peut constituer un organisme. 4. Procaryotes (I)

A Les procaryotes sont des organismes unicellulaires. B Les bactéries sont des procaryotes.

c

Les archées sont des procaryotes.

D. Les champignons sont des procaryotes. E. Les protistes sont des procaryotes.

Introduction à la biologie cellulaire

11

5. Procaryotes (II)

A. B. G. D. E.

Les procaryotes ont un noyau bien défini. Les procaryotes possèdent de l'ADN. Les procaryotes possèdent de l'ARN. La traduction des protéines a lieu dans le réticulum endoplasmique. Les procaryotes se reproduisent par méiose.

6. Procaryotes (Ill)

Tl.. B. G. D. E.

Les ribosomes des procaryotes ont 2 sous-unités. Les ribosomes des procaryotes sont de type 708. L'ARN ribosomique 168 est retrouvé chez les procaryotes. L'ARN ribosomique 168 est un constituant de la grande sous-unité ribosomale. La sequence de l'ARN ribosomique est identique chez tous les procaryotes.

7. Procaryotes (IV) JE..

Le cytoplasme entre procaryotes et eucaryotes est identique.

B. La glycolyse n'existe pas chez les procaryotes.

:::. Certains procaryotes sont capables de photosynthèse.

D. Des complexes protéiques de type protéasome sont retrouvés chez les procaryotes.

E. II n'existe pas de cytosquelette chez les procaryotes. 8. Bactéries (I) JE..

B. C. D. E.

L'ADN bactérien est contenu dans une région appelée nucléo'l'de. Le chromosome bactérien est un ADN linéaire. Le chromosome bactérien est monocaténaire. L'ADN des procaryotes est associé à de nombreuses protéines. Les bactéries sont capables d'échanger de I'ADN par conjugaison.

9. Bactéries (II)

A. B. C. D. E.

Les bactéries produisent des gamètes pour se reproduire. Les bactéries peuvent se mouvoir grâce à la présence d'un pilus moteur. Le mouvement du flagelle est un mouvement de rotation. La protéine constituant le flagelle bactérien est appelé la flagelline. Les bactéries peuvent avoir plusieurs flagelles.

L'essentiel de la biologie cellulaire

12 10. Bactéries (Ill)

A. Les bactéries mesurent en général quelques dizaines de micromètres. B. Toutes les bactéries possèdent une paroi.

r::. La paroi des bactéries est composée de peptidoglycanes.

D. Les bactéries ont besoin d'oxygène pour survivre. E. Les bactéries sont observables au microscope souvent après une coloration de Gram.

11. Archées (I)

A. Toutes les archées vivent dans des milieux extrêmes. B. Certaines archées sont méthanogènes.

c.

Certaines archées vivent dans des milieux riches en sels.

D. Certaines archées vivent dans des milieux très acides. E. Certaines archées vivent dans des milieux dont la température est très élevée.

12. Archées (II)

A. B. G. D. E.

Les mycoplasmes sont des archées. Les archees ne possèdent pas de noyau. La composition de la paroi est identique à celle des bactéries. Les archées sont dépourvues de ribosomes. La mitochondrie retrouvée chez les archées ne possède qu'une seule membrane.

13. Eucaryotes (I) .UL

La levure de bière est un eucaryote.

c.

Les champignons sont des eucaryotes.

B. Escherichia coli est un eucaryote.

D. Les animaux sont des organismes eucaryotes. E. Les protistes sont des eucaryotes.

14. Eucaryotes (II)

Le cytoplasme bactérien est identique au cytoplasme des cellules eucaryotes.

A.8. Des mitochondries sont retrouvées dans presque toutes les cellules

eucaryotes. Le cytosq uelette des eucaryotes est très développé. D. Les ribosomes sont caractéristiques des eucaryotes. E. Le cytosol est la phase soluble du cytoplasme.

r::.

Introduction à la biologie cellulaire

13

15. Eucaryotes (Ill)

A. Les cellules eucaryotes se divisent par mitose. B. L'ADN des eucaryotes est localisé au niveau du noyau.

r::. Leur ADN est bicaténaire et linéaire.

D. L'ADN interagit fortement avec des protéines. E. La plupart des eucaryotes contiennent une information génétique plus abondante que celle des procaryotes.

16. Eucaryotes (IV)

A. Le noyau est une structure délimitée par une membrane. B. Les flagelles des spermatozo'l'des génèrent un mouvement rotatif comme celui du flagelle bactérien.

B. Les organismes eucaryotes sont toujours constitués de plusieurs cellules. DI. La longueur des cellules eucaryotes est comprise entre 1 et 5 μm. E. Toutes les cellules eucaryotes possèdent un noyau.

QCM - Introduction à la biologie cellulaire Réponses 1. Apparition de la vie (I)

A E C D. E.

FAUX. Les estimations sont plutôt de Tordre de 3 à 4 milliards d'années. FAUX. II semblerait que des ARN aient été apportés par les météorites. FAUX. L'ARN est la première biomolécule à l'origine de la vie. VRAI. VRAI.

2. Apparition de la vie (II)

A E C D. E-

FAUX. VRAI. VRAI. FAUX. Les estimations sont plutôt autour de 600 gènes. VRAI.

3. Théorie cellulaire

A

E CD. E

VRAI. VRAI. VRAI. VRAI. VRAI.

4. Procaryotes (I)

A

E,

C D. E-

VRAI. VRAI. VRAI. FAUX. Les champignons sont des eucaryotes. FAUX. Les protistes sont des eucaryotes.

Introduction à la biologie cellulaire

15

5. Procaryotes (II)

A. B. G. D.

FAUX. Les procaryotes n'ont pas de noyau. VRAI. VRAI. FAUX. La traduction a lieu dans le cytosol. Les procaryotes n'ont pas d'organites. E. FAUX. Ils se reproduisent de façon asexuée, par scissiparité.

6. Procaryotes (Ill)

A. B. C-. D.

VRAI. VRAI. VRAI. FAUX. L'ARN ribosomique 168 est un constituant de la petite sous-unité ribosomale. E. FAUX. La séquence de l'ARN ribosomique 168 diffère entre les archées et les bactéries.

7. Procaryotes (IV)

A. FAUX. II n'y a pas d'organites chez les procaryotes. B. FAUX.

c.

VRAI. C'est le cas des cyanobactéries.

D. VRAI. E. FAUX. Même s'il est bien moins développé que chez les eucaryotes, des protéines MreB, des analogues de l'actine des eucaryotes, forment des filaments contribuant à la forme des procaryotes.

8. Bactéries (I)

A. VRAI. B. FAUX. II est circulaire.

cz.

FAUX. II est bicaténaire.

D. FAUX. L'ADN des bactéries est dépourvu d'histones. E. VRAI.

16

L'essentiel de la biologie cellulaire 9. Bactéries (II)

A. B. G. D. E.

FAUX. Elles se reproduisent de façon asexuée. FAUX. Elles se déplacent grâce à un flagelle. VRAI. VRAI. VRAI.

10. Bactéries (III)

Tl.. B. G. D. E.

FAUX. Leur taille est généralement comprise entre 1 et 5 μm. FAUX. Les mycoplasmes en sont dépourvus. VRAI. FAUX. II existe des bactéries vivant en aérobie ou anaérobie. VRAI.

11. Archées (I)

A. FAUX. Certaines archées vivent dans des conditions de salinité, de

B. C. D. E.

température et d'acidité normales VRAI. VRAI. Ce sont les archées halophiles. VRAI. Ce sont les archées acidophiles. VRAI. Ce sont les archées thermophiles. Certaines vivent même dans une eau allant jusque 121°C.

12. Archées (II)

A.8. D. D. E.

FAUX. II s'agit de la plus petite bactérie connue (0,2 μm). VRAI. FAUX. La paroi contient des pseudopeptidoglycanes. FAUX. Toutes les cellules sont pourvues de ribosomes. FAUX. II n'y a pas de mitochondrie chez les archées.

13. Eucaryotes (I)

A. B. C. D. E.

VRAI. Le cytoplasme bactérien est dépourvu d'organites. FAUX. Escherichia coli est un procaryote. VRAI. VRAI. VRAI.

Introduction à la biologie cellulaire

17

14. Eucaryotes (II)

A. B. G. D. E.

FAUX.

VRAI. Les hématies n'ont pas de mitochondries. VRAI. FAUX. Les procaryotes ont aussi des ribosomes. VRAI.

15. Eucaryotes (Ill)

Tl.. B. G. D. E.

VRAI. VRAI. VRAI. VRAI. II s'agit notamment des histories. VRAI.

16. Eucaryotes (IV) JE..

FAUX. II est délimité par une enveloppe à double membrane.

B. FAUX. II s'agit d'un mouvement ondulatoire.

:::. FAUX. Les protistes sont des eucaryotes uniœllulaires.

D. FAUX. Même si elle est très variable, les cellules eucaryotes ont une taille de Tordre de la dizaine de microns.

E. FAUX. Les hématies ou les plaquettes sont dépourvues de noyaux. Les fibres musculaires en possèdent plusieurs.

Chapitre 2Méthodes en biologie cellulaire Les tailles moyennes des cellules procaryotes et eucaryotes sont respectivement de l'ordre du micron et de la dizaine de micrometres. Aussi, l'observation et la compréhension des mécanismes régissant la vie de la cellule ont nécessité un developpement technologique permanent. Ceci est une nécessité pour la compréhension des dysfonctionnements cellulaires qui conduisent aux pathologies humaines. Dans ce chapitre seront détaillées les techniques principales utilisées en recherche ou en clinique par le biologiste. Leurs applications sont illustrées dans les chapitres 3 à 12. En outre, d'°autres techniques non mentionnées ici (fractionnement cellulaire, pulse-chase, utilisation de sondes fluorescentes) seront également abordées dans les exercices d'entrainement des autres chapitres.

I. Culture cellulaire La culture des procaryotes, ce pdf a été initialement donné gratuitement ici : bit.1y/36nA5bl toute revente de ce fichier est honteuse et plus particulièrement des bactéries, ne sera pas abordée dans ce chapitre , 1°accent sera mis sur celle des eucaryotes.

1. Culture primaire Il est possible d'°extraire les cellules d°un tissu (exemple : une biopsie cutanée) ou d°un organe (muscles, cerveau, pancréas ou cœur par exemple). Les cellules obtenues sont dites primaires. Pour obtenir des cellules primaires, il faut tout d'°abord digérer la matrice extracellulaire à l'aide d'enzymes protéolytiques (collagénose, trypsine par exemple) et en présence de chélateurs de cations bivalents comme l°EDTA. Dans un second temps, il est nécessaire de procéder à une étape de purification afin de sélectionner le type cellulaire recherché. Celle-ci peut se faire soit par la méthode d'°adhérence différentielle (attachement plus rapide d'un type cellulaire sur le support de culture par rapport à un autre), de centrifugation (purification en fonction de la densité de la cellule) ou par des méthodes immunologiques visant à séparer les cellules en fonction de marqueurs de surface (utilisation du trieur de cellules par exemple). Une fois purifiées, les cellules sont alors mises en culture sur un support, généralement en plastique sous forme de tacons ou de boites

20

L'essentiel de la biologie cellulaire

circulaires, parfois recouvert d'°éléments retrouvés dans la matrice extracellulaire, en présence d'un milieu spécifique. Ce milieu de culture a pour but de maintenir les cellules en vie, de leur permettre de proliférer, voire de se différencier. En général, il contient du glucose, des ions et sels minéraux, un indicateur de pH, des vitamines, des acides aminés et des antibiotiques. Des facteurs de croissance peuvent être apportés soit spécifiquement (obtention d°un milieu défini) ou par du sérum de veau octal (obtention d°un milieu non décri). Les cellules sont ensuite placées dans un incubateur à C02, à atmosphère humide, thermostats à 37°C, généralement. 2. Les lignées de cellules immortalisées Les cellules isolées d°un tissu sain, lorsqu°elles ne sont pas différenciées, conservent une capacité de prolifération mais ne sont capables de se diviser ou°un nombre de fois limité. Par exemple, des fibroblastes humains issus d°un donneur adulte se multiplient à 40 reprises environ. Au-delà, les cellules entrent en sénescence réplicative. Ceci est lié au raccourcissement des télomères des chromosomes, c°est-à-dire leurs extrémités. Pour surpasser cette limite, il est possible notamment, par des méthodes décrites plus tard dans ce chapitre, de surexprimer l°enzyme ribonucléoprotéique rallongeant les télomères : la télomérase. Ainsi, ces cellules non cancéreuses peuvent proliférer quasiment à l"infini, tant qu°i1 reste de la surface inoccupée sur le support de culture. Lorsque celles-ci atteignent la confluence, elles arrêtent de proliférer : il s°agit de l°inhibition de contact. Il est possible de détacher ces cellules en les incubant quelques minutes dans de la trypsine et de l°EDTA. Ensuite, elles seront diluées, réensemencées et se mettront de nouveau à proliférer. 3. Les lignées de cellules transformées Lorsque des cellules, que ce soit in vivo ou in vitro, sont exposées à certains virus, à des agents cancérigènes chimiques ou à des radiations ionisantes, certains gènes peuvent être mutés. Des proto-oncogènes peuvent muter en oncogènes constitutivement actifs. A l°inverse, ces agents peuvent aussi conduire à l°inactivation de gènes suppresseurs de tumeurs. In une, ces modifications favorisent la prolifération cellulaire ou la résistance à la mort cellulaire. Ces cellules, aux caractéristiques de cellules cancéreuses, peuvent générer des tumeurs suite à une greffe à l'animal. En culture, elles perdent l°inhibition de contact et sont capables de proliférer en formant plusieurs feuillets cellulaires.

Méthodes en biologie cellulaire

21

II. Modification de l'expression des protéines Pour comprendre l'implication d'une protéine dans une fonction cellulaire, il est nécessaire de modifier l'expression de cette protéine ou encore être capable de la visualiser ou de la purifier. Il est possible d'apporter des gènes étrangers à la cellule à l°aide de vecteurs viraux (infection) ou non viraux de type plasmide (transfection). Pour ce faire, l°ADN complémentaire de l°ARNm mature codant la protéine d'°intérêt est placé sous le contrôle d'une séquence promotrice. Ce promoteur peut soit permettre d'exprimer constitutivement la protéine (promoteur fort) dans tout type cellulaire, de permettre l'expression dans un type cellulaire donné (promoteur spécifique d'un tissu) ou d'être activé uniquement en cas de la présence de certaines substances (promoteur inductible). Erin, il est possible d'°ajouter dans la construction du vecteur un gène de résistance à un antibiotique qui permettra de sélectionner les cellules ayant reçu le transgène. Il est aussi possible de fusionner à la séquence codant la protéine d'intérêt une séquence ajautant une

Queue hydrophobe

n

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qi

H

m m

Figure 3.1 : Schéma simplifié d'un glycérophospholipide.

La nomenclature des phospholipides repose sur lalcool axé au niveau de la fonction acide phosphorique. Ainsi, la membrane plasmique contient plusieurs glycérophospholipides tels que la phosphatidylcholine (PC), la phosphatidylsérine (PS), la phosphatidyléthanolamine (PE), dont les alcools respectifs sont la choline, la sérine et l°éthanolamine. Ces alcools associés au phosphate et au glycérol constituent la tête polaire hydrophile du glycérophospholipide (Figure 3.l). A l°inverse, les chaînes carbonées, de taille plus ou moins longue (généralement entre 14 et 20 atomes de carbone par chaîne), représentent la partie apolaire hydrophobe de la molécule. A noter : l°une des deux chaînes aliphatiques est saturée, la seconde possède généralement au moins une double liaison cis, créant un angle sur la molécule. En conclusion, un glycérophospholipide est une molécule ayant à la fois un caractère hydrophile et hydrophobe , elle est dite amphiphile ou amphipathique. b. Sphingophospholipides La seconde famille des phospholipides membranaires est composée des sphingophospholipides. Parmi ces lipides, la sphingomyéline. Cette fois-ci, ce n'est plus le glycérol mais la sphingosine (ou la dihydrosphingosine) qui permet la liaison d'un acide gras et d'un groupement phosphate. La liaison d'une choline au niveau du groupement phosphate par liaison ester forme la sphingomyeline, un autre constituant des membranes cellulaires. Cette molecule possède également un caractère amphiphile. c. Autres lipides

Les phospholipides ne sont pas les seuls lipides de la membrane plasmique. Par exemple, le cholestérol, structure essentiellement apolaire, entre également dans

Membranes cellulaires

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la composition de la membrane plasmique. Ce stérol s°insère entre les deux feuillets pour rigidifier la membrane. Il existe aussi des glycolipides, des lipides liés de façon covalente avec des sucres, qui vont impacter la fluidité de la membrane. Les differents motifs sucrés de ces glycolipides au niveau des globules rouges déterminent le groupe sanguin des individus. 2. Propriétés des lipides Dans 1111 milieu aqueux, les phospholipides forment des micelles ou des liposomes. Les micelles sont des structures sphériques formées par des phospholipides dont les têtes polaires sont à l°extelieur et les chaînes aliphatiques au centre (Figure 3.2). Les liposomes, également sphériques, sont formés de deux feuillets lipidiques délimitant un milieu aqueux à l°extérieur du liposome et un second milieu aqueux à l'intérieur du liposome, chacun en contact avec les têtes polaires des phospholipides (Figure 3.2). C'est ce type de structure qui sert de base aux techniques de lipofection, permettant d"appoI*ter de l'ADN étranger aux cellules (transfection).

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Tête hydrophile

Milieu hydrophile Zç›në'hÿärol5h'obe Queues hydrophobes .I

Un phospholipide

Milieu hydrophile

Une micelle

*

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r J

Un liposome

Figure 3.2 : Représentation schématique d°un phospholipide, d'une micelle et d'un liposome.

Les phospholipides sont capables de mouvement de rotation sur eux-mêmes et diffusent au sein de la membrane lipidique. Certains lipides sont aussi capables de passer d'un feuillet à un autre par transition « flip-flop ›› (exemple : la phosphatidylcholine).

Les doubles liaisons qui coudent les chaînes d'acide gras rendent difficile Pagglutination des lipides entre eux. Ceci contribue ainsi à la fluidité de la membrane lipidique.

38

L'essentiel de la biologie cellulaire

3. Propriétés des membranes biologiques Au niveau cellulaire, la membrane plasmique s°organise en deux feuillets lipidiques encore appelés hémi-membranes. L hémi-membrane se trouvant du côté extracellulaire est dénommée E pour exoplasmique. Le feuillet intracellulaire est appelé feuillet P pour protoplosmique. La composition lipidique des feuillets interne et externe est différente 1 il s°agit de 1°asymétrie membranaire. Celle-ci serait entretenue sous 1"action de flippases, des enzymes qui permettraient de faire passer un lipide d'un feuillet à un autre. La PC est l'espèce de glycérophospholipides majoritaire sur le feuillet exoplasmique. La PS ne se trouve que sur le feuillet interne de la membrane plasmique d'°une cellule saine. En cas d'°apoptose, les PS sont exposées sur le feuillet externe. Les PE se retrouvent majoritairement dans le feuillet interne et contribuent à la courbure membranaire. Enfin, les phosphatidylinositols, en faible quantité relativement aux PS et PE du feuillet P, peuvent être phosphorylés et jouer un rôle important dans la signalisation intracellulaire. Outre cette asymétrie, les membranes biologiques présentent des propriétés physiques remarquables comme une faible perméabilité aux ions, une faible conductivité électrique, ou une capacité à se replier sur elle-même afin d'°acquérir la conformation la plus favorable d°un point de vue thermodynamique. De plus, les membranes cellulaires sont faiblement perméables à l'eau et globalement non perméables aux molécules polaires. Cette perméabilité dépend de la présence de protéines particulières enchâssées dans la bicouche lipidique. Au sein des membranes, cholestérol et sphingolipides peuvent se regrouper afin de former des radeaux lipidiques ou Lipides principaux : glycérophospholipides, sphingolipides, cholestérol > Protéines : canaux, perméases, transporteurs actifs primaires et secondaires, récepteurs, enzymes, protéines d'°adhérence Propriétés des lipides : > Phospholipides : O une partie hydrophobe et une partie hydrophile O fluidité, mouvements de rotation, transition Cholestérol : rigidité membranaire, organisation en rafts Propriétés des protéines : > Transmembranaires ou périphériques, insérées dans la membrane > Insertion dans la membrane qui dépend des structures secondaires > Participent au transport actif de molécules : O pompes ATPase = transport actif primaire O antiports ou cotransports : transport actif secondaire > Facilitent la diffusion des molécules 3 O uniport, perméases, canaux, purines Propriétés des membranes > Deux hémi-membranes = deux feuillets lipidiques o feuillet externe : feuillet E : feuillet exoplasmique O feuillet interne : feuillet P : feuillet protoplasmique > Asymétrie membranaire > Perméabilité de la membrane plasmique dépend des protéines membranaires > Mosaïque guide

QCM - Membranes cellulaires 1. Généralités (I)

Tl.. La membrane plasmique est composée d'un seul feuillet de lipides. B. Les lipides ont des propriétés hydrophobes.

E8. Certains lipides de la membrane plasmique ont des propriétés hydrophiles. D. La partie hydrophobe des lipides se trouve exposée au milieu aqueux. E. La membrane plasmique contient des protéines.

2. Généralités (II)

A. La membrane plasmique a une épaisseur de 15 à 20 nm. B. Les deux feuillets de la membrane plasmique sont observables au microscope à lumière blanche.

G. La membrane plasmique joue un rôle dans la compartimentation intracellulaire. D. Les membranes jouent un rôle de barrière sélective. E. Les membranes jouent un rôle dans la signalisation cellulaire. 3. Méthodes d'étude des membranes

Un simple choc osmotique permet d'extraire les protéines transmembranaires.

A.8. II est possible de solubiliser des protéines membranaires à l'aide de détergents. C. Le Triton X-100 est un détergent ionique chargé négativement qui ne modifie pas la structure tertiaire des protéines.

D. Les détergents sont des molécules amphiphiles. E. La structure tertiaire des protéines peut s'obtenir par cristallographie aux rayons X.

4. Propriétés des membranes biologiques (I) JE..

B. C. D. E.

La membrane plasmique est une bicouche lipidique similaire à celle de l'enveloppe nucléaire. Le feuillet externe est appelé membrane exoplasmique ou membrane E. Le feuillet interne est aussi dénommé feuillet P pour feuillet protoplasmique. La composition des feuillets E et P est identique. Les phosphatidylserines passent du feuillet E vers le feuillet P lors de l'apoptose.

L'essentiel de la biologie cellulaire

44 5. Propriétés des membranes biologiques (II)

A. Les membranes biologiques ne sont composées que de lipides. B. Sans protéines membranaires, les membranes biologiques laisseraient passer librement les ions.

B. Le cholesterol intervient dans la formation de radeaux lipidiques ou rats. D. II existe des liaisons non covalentes entre lipides et protéines. E. Les membranes sont imperméables aux gaz. 6. Propriétés des membranes biologiques (Ill)

A. B. C-. D. E.

Certains lipides peuvent être liés à des sucres par liaison covalente. Les sucres membranaires sont portés en majorité par les lipides. Les glycolipides modifient la fluidité membranaire. Les glycolipides membranaires sont identiques pour tous les globules rouges. Les sucres membranaires contribuent à l'interaction de la cellule avec son environnement.

7. Phospholipides (I)

Tl.. Les phospholipides sont tous des glycérophospholipides. B. Les glycérophospholipides sont les constituants principaux de la membrane plasmique. Les glycérophospholipides contiennent du glucose, d'où leur nom. D. Les glycérophospholipides contiennent deux acides gras. E. Les acides gras sont reliés au glycérol par des liaisons amine.

c.

8. Phospholipides (II)

Les glycérophospholipides sont des molécules amphiphiles.

.I'I..8. Le groupement phosphate représente la partie hydrophile de la molécule.

c.

Trois acides gras liés au glycérol forment un glycérophospholipide.

D. Les acides gras composant les glycérophospholipides sont de taille inférieure à 10 atomes de carbone.

E. Les acides gras des glycérophospholipides sont tous saturés.

Membranes cellulaires

45

9. Lipides membranaires (I)

A. Les cardiolipides sont des constituants majeurs des membranes plasmiques. B. Le cholestérol est un élément de la membrane plasmique.

r::. Le cholestérol est un lipide essentiellement polaire.

D. Le cholesterol rigidifie la membrane plasmique. E. Plus une membrane est riche en cholestérol, plus elle est perméable aux molécules hydrophiles.

10. Lipides membranaire (II)

A. Le feuillet externe de la membrane plasmique est riche en phosphatidylcholine B. L'internalisation des phosphatidylsérines est une caractéristique des cellules en apoptose.

B. Les phosphatidyléthanolamines contribuent à la courbure membranaire. D. Les phosphatidylinositols, sphingolipides retrouvés sur le feuillet interne, jouent un rôle dans la signalisation intracellulaire.

E. La flippase nécessite l'hydrolyse de GTP pour faire passer un lipide d'un feuillet à l'autre.

11. Propriétés des lipides (I)

A. B. C. D. E.

Les lipides sont insolubles dans l'eau. Un liposome est une structure sphérique constituée de deux feuillets lipidiques. L'autre nom d'un liposome est une micelle. Le centre d'une micelle est constitué d'un milieu aqueux. Le centre d'un liposome est constitué d'un milieu aqueux.

12. Propriétés des lipides (II)

n. B. c.

Les têtes polaires des phospholipides se trouvent au centre des liposomes. Les têtes polaires des phospholipides se trouvent à l'extérieur des liposomes. Les têtes polaires des phospholipides se trouvent à l'extérieur des micelles. D. Au sein d'une bicouche lipidique, les phospholipides du feuillet externe peuvent basculer vers le feuillet interne. E. L'immobilité des phospholipides est requise pour le maintien de la structure membranaire en bicouche lipidique.

46

L'essentiel de la biologie cellulaire

13. Protéines membranaires (I)

A. Toutes les protéines membranaires sont transmembranaires. B. Toutes les protéines membranaires permettent de laisser passer certaines molécules selon leur gradient de concentration.

G. Le transport ionique requiert toujours l'hydrolyse d'ATP. D. Les pompes membranaires sont des transports passifs primaires. E. La vitesse des pompes membranaire est limitée. 14. Protéines membranaire (II)

A. Les pompes véhiculent préférentiellement des anions. B. La diffusion passive de solutés à travers la membrane se fait en fonction du

gradient de concentration. Lors de la contraction musculaire, il existe des transports actifs primaires permettant de reformer les stocks calciques intracellulaires. D. Les transports actifs primaires sont essentiels dans le maintien du potentiel de la membrane plasmique. E. Tous les transports actifs primaires utilisent l'énergie fournie par l'hydrolyse de l'ATP pour prendre en charge les ions.

c.

15. Protéines membranaires (III)

A. La FOF1 ATpase mitochondriale peut fonctionner comme une pompe. B. Les transports primaires permettent de faire passer certains ions contre leur

gradient de concentration. Tous les transports hydrolysent de l'ATP. D. Les transports actifs secondaires permettent une diffusion facilitée des ions. E. Un gradient ionique peut servir de source d'énergie pour certains transporteurs.

cz.

16. Protéines membranaires (IV)

A. L'ajout de motifs sucrés aux protéines par réaction enzymatique s'appelle la glycation.

B. Les protéines intégrales se retrouvent strictement dans la bicouche lipidique.

c.

Les protéines périphériques se lient de façon covalente à des lipides membranaires. EI. Les proteines périphériques sont strictement extracellulaires. E. Les protéines ancrées à la membrane passent souvent par l'interaction entre un phosphatidylinositol et un oligosaccharide lié à la protéine.

Membranes cellulaires

47

17. Symports/Antiports

A. Certains transports actifs secondaires sont appelés antiports. B. Les transports actifs secondaires utilisent un gradient ionique comme source d'énergie.

B. Un antiport permet de transporter deux molécules dans des sens opposés. D. Les transports actifs secondaires sont tous des antiports. E. Ion et molécule transportés vont dans la même direction lorsqu'ils sont pris en charge par un symport.

18. Transport membranaire (I)

A. Les transports actifs secondaires sont très importants au niveau rénal pour

permettre la réabsorption, la sécrétion et l'excrétion de certaines molécules.

B. Les transports actifs sont spécifiques de certaines molécules. D. Les perméases sont des transports actifs. D. La diffusion de solutés à travers la membrane plasmique peut être facilitée par des protéines membranaires.

E. Les uniports sont des transporteurs passifs. 19. Transport membranaire (II)

A. Lors de la diffusion facilitée, les ions sont transportés contre leur gradient de concentration.

B. Les transporteurs membranaires du glucose sont des transporteurs passifs.

:::.

Les canaux membranaires participent à la synthèse d'une grande quantité d'ATP. D. Les canaux ioniques sont beaucoup plus spécifiques que les transports actifs. E. L'oxygène traverse les membranes grâce à un transporteur spécifique appelé oxypore.

20. Canaux ioniques (I)

A. Les canaux ioniques peuvent être activés par une différence de potentiel 8. C. EI. E.

membranaire. Les canaux ioniques peuvent être activés par l'étirement. Les canaux ioniques peuvent être activés par un ligand. Certains canaux ioniques, après ouverture, peuvent être inactivés. Un canal ionique est caractérisé par une probabilité d'ouverture.

48

L'essentiel de la biologie cellulaire

21. Canaux ioniques (II)

A. B. G. D. E.

Un canal ionique est caractérisé par une conductance. II existe des canaux permettant le passage de molécules d'eau. Les canaux se rencontrent uniquement au niveau de la membrane plasmique. Les purines mitochondriales sont spécifiques des protons. II existe des antiports au niveau mitochondrial.

22. Canaux ioniques (III)

Tl.. II existe des canaux voltage-dépendants laissant passer des ions comme le sodium ou le calcium.

B. La fixation de nucléotides cycliques du côté intracellulaire permet l'ouverture de certains canaux.

B. L'acétylcholine provoque l'ouverture de canaux au niveau post-synaptique. D. Tous les récepteurs à Facétylcholine sont des canaux ioniques. E. Le patch-clamp est la technique utilisée généralement pour l'étude des canaux ioniques.

23. Divers

A. Plus de 50% de la masse de la membrane est à attribuer aux protéines. B. La membrane plasmique est dite en mosa'l'que fluide.

c.

Une protéine transmembranaire ne passe qu'une seule fois dans la membrane.

D. Les protéines transmembranaires réalisent de nombreuses transitions « flipflop ››, assurant ainsi la fluidité de la membrane.

E. A ce jour, aucune pathologie en rapport avec les lipides membranaires n'a été identifiée.

QCM - Membranes cellulaires - Réponses 1. Généralités (I)

n. B. G. D. E.

FAUX. La membrane plasmique est composée de deux feuillets lipidiques appelés hémi-membranes. VRAI. VRAI. Par exemple, les glycérophospholipides ont une partie hydrophile. FAUX. Les extrémités hydrophobes des lipides font face à d'autres extrémités hydrophobes lipidiques. VRAI.

2. Généralités (II)

A. FAUX. Son épaisseur est plutôt comprise entre 5 et 10 nm. B. FAUX. Les feuillets sont observables en microscopie électronique.

r::. FAUX. La membrane plasmique délimite les compartiments intra et

extracellulaires. Toutefois, d'autres membranes participent à la compartimentation cellulaire. D. VRAI. Certaines protéines vont assurer une perméabilité sélective. E. VRAI. Que ce soit grâce à certaines protéines ou certains lipides, les membranes jouent un rôle prépondérant dans la signalisation cellulaire.

3. Méthodes d'étude des membranes

n. B. c.

FAUX. II est difficile d'extraire les protéines enchâssées dans une membrane. VRAI. FAUX. Le Triton X-100 est un détergent anionique n'altérant pas la structure tertiaire des protéines. Le SDS est un détergent ionique chargé négativement dénaturant les protéines. D. VRAI. E. VRAI.

L'essentiel de la biologie cellulaire

50 4. Propriétés des membranes biologiques (I)

A. B. G. D. E.

FAUX. L'enveloppe nucléaire est composée de deux membranes. FAUX. II s'agit d'une hémi-membrane. VRAI. FAUX. II existe une asymétrie membranaire. FAUX. Les phosphatidylsérines passent du feuillet interne vers le feuillet externe.

5. Propriétés des membranes biologiques (II)

A. FAUX. Les protéines et les sucres jouent aussi un rôle essentiel dans la membrane biologique.

B. FAUX. Sans l'existence de protéines, les membranes biologiques seraient imperméables aux molécules polaires.

C. VRAI. La formation des rafts permet l'ancrage de certaines protéines. D. VRAI. E. FAUX. Les gaz passent les membranes par diffusion passive. 6. Propriétés des membranes biologiques (Ill)

A. VRAI. Ce sont les glycolipides. B. FAUX. Jusque 10% des sucres membranaires sont portés par les lipides, le

reste est lié aux protéines. VRAI. D. FAUX. Leurs motifs sucrés déterminent le groupe sanguin. E. VRAI.

:::.

7. Phospholipides (I)

A. FAUX. Certains phospholipides ne possèdent pas de glycérol mais sont construits sur la sphingosine.

B. VRAI. C. FAUX. Les glycérophospholipides s'organisent autour d'une molécule de glycérol.

D. VRAI. E. FAUX. Les acides gras sont reliés par des liaisons ester au glycérol.

Membranes cellulaires

51

8. Phospholipides (II)

A. VRAI. Les glycérophospholipides ont une partie hydrophile et une partie hydrophobe.

B. VRAI. C. FAUX. Un glycérophospholipide contient une molécule de glycérol liée à deux acides gras et à un groupement phosphate.

D. FAUX. La taille des acides gras est comprise généralement entre 14 et 20 atomes de carbone.

E. FAUX. II existe des acides gras saturés et insaturés au sein des glycérophospholipides.

9. Lipides membranaires (I)

FAUX. II s'agit des lipides de la membrane mitochondriale interne.

A.8. VRAI. C. FAUX. Le cholestérol est avant tout apolaire. II existe néanmoins un groupement hydroxyle polaire sur le carbone C3 de la molécule.

D. VRAI. E. FAUX. Plus il y a de cholestérol dans une membrane, plus elle est imperméable aux molécules hydrophiles.

10. Lipides membranaires (II)

Ji. B. B. D. E.

VRAI. FAUX. Les phosphatidylsérines sont externalisées au cours de l'apoptose. VRAI. FAUX. Ce sont des glycérophospholipides. FAUX. Elle nécessite l'hydrolyse d'ATP.

11. Propriétés des lipides (I) JE..

VRAI. Ce sont des molécules hydrophobes.

B. VRAI. EZ. FAUX. Une micelle est aussi une structure sphérique mais celle-ci n'est composée que d'une seule couche lipidique.

EI. FAUX. Le centre d'une micelle est constitué par les chaînes aliphatiques des phospholipides.

E. VRAI. Contrairement aux micelles, le centre des liposomes est occupé par un milieu aqueux.

52

L'essentiel de la biologie cellulaire

12. Propriétés des lipides (II)

A. VRAI. B. VRAI.

r::.

VRAI.

D. VRAI. II s'agit de la transition « flip-flop ››. E. FAUX. Les phospholipides sont capables de diffuser dans la membrane plasmique.

13. Protéines membranaire (I)

A. FAUX. Certaines protéines ne s'insèrent que dans un des feuillets B.

C. D. E.

membranaires sans toutefois traverser la bicouche lipidique, d'autres sont ancrées à des lipides, d'autres encore sont dites périphériques. FAUX. Certaines protéines pompent des molécules contre leur gradient de concentration. FAUX. Seules les pompes utilisent de l'ATP. FAUX. Les pompes sont des transports actifs primaires. VRAI.

14. Protéines membranaires (II)

A. FAUX. Les pompes véhiculent principalement des cations. B. VRAI. C. VRAI. La pompe SERCA (« Sarcoplasmic Endoplasmic Reticulum Calcium ATpase ››) permet de pomper le calcium cytosolique vers la lumière du réticulum grâce à l'hydrolyse d'une molécule d'ATP. D. VRAI. E. VRAI.

15. Protéines membranaires (III)

A. VRAI. Le mode reverse de l'ATP synthase permet l'hydrolyse d'une molécule d'ATP pour pomper des ions H+ matriciels.

B. VRAI.

c.

FAUX. Seuls les transports actifs primaires hydrolysent de l'ATP.

D. FAUX. Comme leur nom l'indique, leur transport nécessite une forme d'énergie. E. VRAI. C'est le cas pour les transports actifs secondaires.

Membranes cellulaires

53

16. Protéines membranaires (IV)

A. FAUX. II s'agit de la glycosylation. La glycation est une réaction chimique non enzymatique.

B. FAUX. Outre leur domaine transmembranaire, elles possèdent des extrémités cytosolique et extracellulaire.

C. FAUX. La liaison est non-covalente. D. FAUX. Elles sont aussi bien extracellulaires que cytosoliques. E. VRAI. Ce sont les protéines ancrées par GPI (glycosyl-phosphatidylinositol). 17. Symports/Antiports

A. VRAI. B. VRAI.

cx.

VRAI. Le passage d'un ion du compartiment le plus concentré vers le compartiment le moins concentré permettra la prise en charge d'une autre molécule qui sera véhiculée dans le sens opposé. D. FAUX. II existe aussi des symports ou ootransports. E. VRAI. 18. Transport membranaire (I)

A. VRAI. C'est le cas par exemple des cotransports Na+/Glucose au niveau du tube contourné proximal des néphrons.

B. VRAI.

É.

FAUX. Les perméases sont des transports passifs.

D. VRAI. II s'agit de la diffusion facilitée. E. VRAI.

19. Transport membranaire (II) JE..

B. EZ. EI. E.

FAUX. La diffusion facilitée permet le passage d'ions du compartiment le plus concentré vers le compartiment le moins concentré. VRAI. FAUX. C'est l'ATP synthase mitochondriale qui produit la quasi-totalité de I'ATP. FAUX. Les canaux ioniques sont moins spécifiques que les transports actifs. FAUX. L'oxygène est un gaz qui diffuse de façon passive.

54

L'essentiel de la biologie cellulaire

20. Canaux ioniques (I)

A. B. G. D. E.

VRAI. Ce sont des canaux voltage-dépendants. VRAI. Ce sont les mécano-récepteurs. VRAI. VRAI. VRAI.

21. Canaux ioniques (II)

Tl.. B. G. D.

VRAI. VRAI. Ce sont les aquaporines. FAUX. Les canaux se trouvent sur les membranes biologiques en général. FAUX. La purine mitochondriale laisse passer des molécules de taille inférieure à 5 kDa. E. VRAI. II existe notamment des antiports Na+/H+.

22. Canaux ioniques (Ill) VRAI. VRAI. VRAI. II s'agit par exemple des récepteurs-canaux nicotiniques. FAUX. Les récepteurs muscariniques sont des récepteurs couplés aux protéines G. E. VRAI.

A. B. C. D.

23. Divers

A. VRAI. Même si les protéines sont moins nombreuses que les lipides, leur masse est très importante comparée à celle des lipides.

8. VRAI.

c.

FAUX. Les protéines transmembranaires peuvent avoir plusieurs domaines enchâssés dans la membrane. D. FAUX. Les protéines diffusent de façon latérale. E. FAUX. Par exemple, la maladie de Niemann-Pick est caractérisée par un déficit de sphingomyélinase conduisant à une accumulation anormale de sphingomyéline.

Exercices - Membranes cellulaires Exercice 1 D'un côté, des ovocytes de Xénope, de l'autre des hématies. Ces deux types cellulaires sont placés dans une solution hypotonique. Cinq minutes plus tard, les cellules sont observées au microscope (Figure 3.4). t=Omin Ovocyte

Hématies

00 oO

t = 5 min

U

I

Figure 3.4 : Schéma d 9un ovocyte et d'°une hématie observés au microscope optique avant et après

incubation dans une solution hypotonique.

Question 1

Qu'est-ce qu'un milieu hypotonique ?

Question 2

Analyser. Quelle conclusion tirer de cette expérience ?

Des hématies sont ensuite placées dans une solution hypotonique contenant des ions mercure Hg2+. Cette fois-ci, les hématies ne gonflent plus. Question 3

Quelle hypothèse formuler pour expliquer les effets du mercure ?

Les hématies expriment fortement un ARNm codant une protéine de 28 kDa. Ces ARNm sont injectés à des ovocytes de Xenope. Après quelques heures, les ovocytes sont placés dans différents milieux et les resultats sont les suivants (Figure 3.5) 1

L'essentiel de la biologie cellulaire

56

t=0min

t=5min

t = 5 min

t=5min

Solution isotonique

Solution hypotonique

1 1

1

Ovocyte injecté 1

1 1

Solution isotonique ou hypotonique

1

Solution hypotonique

+ Hg2+

Figure 3.5 1 Résultats de Fexpérience où les ovocytes de Xénope ont reçu des ARNm d`hématíes.

Question 4

Analyser. Quelle conclusion tirer de cette expérience ?

Question 5 D'après vos connaissances, quel nom porte cette protéine ?

Exercice 2 Le muscle squelettique exprime principalement deux transporteurs au glucose : Glutl et Glut4. Au cours d°un exercice physique, le muscle squelettique est capable de prélever plus de glucose sanguin dans le but de produire plus d'°ATP. Ann de comprendre la régulation de ces transporteurs, les expériences suivantes ont été réalisées. Dans un premier temps, des fractions membranaires ont été préparées. Question 1 Comment vérifier la pureté de la fraction ?

B

Repos

Repos

33[3J9X]

A

l u -unau IIIII!

-I

Glutl

Ii Sarcoglycanes

I

flfllllîlllll

_GIUt4

DE o

li

Sarcoglycanes

Exercice

Ensuite, après avoir vérité la pureté des fractions, des membranes sarcolemmiques sont préparées à partir de muscles squelettiques de rats au repos ou ayant subi un exercice physique. Les résultats sont les suivants (Figure 3.6) :

Lam!

--

Figure 3.6 : Western-blot obtenu à partir d'°extraits membranaires de muscles squelettiques issus de rats ayant subi ou non un exercice physique. (A) détection des Glutl, (B) détection des Glut4. I Normalisation effectuée grâce à la détection des sarcoglycanes.

57

Membranes cellulaires

Question 2

Analyser ces résultats. interpréter

Question 3

Quel mécanisme cellulaire pourrait conduire à une augmentation rapide de ce récepteur à la surface membranaire ?

Question 4

Comment tester l'hypothèse de la question 3 ?

Après avoir utilisé du GTP-yS, les résultats conduisent à la conclusion suivante : le mécanisme d'augmentation de la protéine Glut4 à la surface de la membrane sarcolemmique implique la fusion de membranes.

Question 5

Représenter schématiquement le résultat du western-blot dirigé contre Glut4 obtenu à partir d'une fraction de membranes plasmiques et d'une fraction contenant les membranes intracellulaires, avant et après exercice.

Question 6

Quelle est l'hormone hypoglycémiante de l'organisme ? Comment testeriez-vous son implication dans la translocation des transporteurs Glut4 ?

Voici les résultats obtenus suite à Finjection de l'hormone hypoglycémiante (Figure 3.7) 3

Glut4

|-

-I

Glut4

Avec hormone

Après hormone

B) « Membranes intracellulaires ›› auouμoq sueg

Sans hormone

A) « Membranes sarcolemmiques ››

_

Figure 3.7 : Effets de l'hormone hypoglycémiante sur la quantité de transpofleurs G1ut4 sur les membranes sarcolelmniques (A) et intracellulaires (B). L"équicharge en protéine a été vérifiée.

Question 7

Est-ce que cette hormone contrôle la translocation des récepteurs GIut4 ? Justifier.

Exercices - Membranes cellulaires - Réponses Réponses de l'exercice 1 Réponse 1 Un milieu hypotonique correspond à une solution ayant une concentration ionique inférieure au milieu intracellulaire. Ainsi, l°eau aura tendance à entrer dans la cellule pour équilibrer les concentrations ioniques de part et d'°autre de la membrane plasmique. Réponse 2 La taille des ovocytes reste inchangée même après cinq minutes dans une solution hypotonique. Les ovocytes sont des cellules fortement imperméables à l'eau. Par contre, le volume des hématies a fortement augmenté lorsque ces cellules sont placées dans un milieu hypotonique (la membrane de certaines cellules est même rompue). La membrane plasmique des hématies est donc perméable à l°eau. Réponse 3

. 2 . . ,. . . . Les Ions mercure Hg + inhibent une proteine membranaire qui laisse passer les molécules d'eau. Réponse 4 La taille des ovocytes est comparable à t = 0 et à t = 5 min lorsque les cellules sont placées dans un milieu isotonique, c°est-à-dire un milieu ayant des concentrations ioniques proches de celles du cytoplasme. Un gonflement des ovocytes est observé lorsque les cellules ont reçu les ARNm des hématies et sont placées dans un milieu hypotonique. Ce gonflement est inhibe par les ions Hg2+ car, dans ce cas, le volume cellulaire est identique au temps t = 0 min. Conclusion 'Les ARNm injectés codent une protéine facilitant la diffusion des molécules d'eau de part et d'autre de la membrane plasmique. Réponse 5 Il s'agit des aquaporines.

Membranes cellulaires

59

Réponses de l'exercice 2 Réponse 1

Il est possible de réaliser un western-blot dont le but sera de vérifier l°absence de protéines cytosoliques (comme la tubuline ou l°actine) ou nucléaires (lamines). Ensuite, 1"utilisation d'autres anticorps permettra de vérifier Fenrichissement de la fraction obtenue en protéines membranaires. Au niveau de la membrane sarcolemmique, des anticorps anti-sarcoglycanes seront utilisés. Réponse 2 Aucune augmentation de Glutl n'est observée au niveau des membranes sarcolemmiques obtenues de muscles squelettiques provenant d'°animaux au repos ou soumis à un exercice. Par contre, par rapport aux rats au repos, une quantité plus importante de Glut4 est retrouvée dans la traction membranaire des muscles issus de rats ayant été soumis à l'exercice. Cette observation est analysable facilement car la quantité de sarcoglycanes reste identique entre les deux groupes. L'°augmentation du nombre de transporteurs Glut4 à la membrane cellulaire pourrait participer à la meilleure absorption du glucose par le muscle au cours de l°exercice. Réponse 3

Il pourrait s°agir d'un mécanisme d'°exocytose. Des transporteurs G1ut4 se trouveraient enchâssés dans la membrane de vésicules intracellulaires de stockage. L'°exercice conduirait à la fusion des membranes de stockage avec celle du sarcolemme, conduisant ainsi à une augmentation rapide de la quantité de Glut4 à la membrane plasmique. Réponse 4 La fusion des vésicules d'°exocytose avec la membrane plasmique est régulée par de petites protéines G. La fusion avec le compartiment accepteur nécessite la présence de la protéine Rab associé au GTP. Ainsi, le remplacement du GTP par du GTP non hydrolysable (GTP-yS) devrait empêcher la fusion des vésicules avec la membrane plasmique. Une autre possibilité serait de moduler les Microfilaments d'°actine >* Microtubules formés de tubuline > Filaments intermédiaires Microfilaments d'actine : > Forme monomérique : actine G globulaire qui possède un site de taxation à l'ATP nécessaire à la polymérisation > Forme polymérisée : actine F filamenteuse avec une extrémité (+) et une extrémité (-) > Phases de polymérisation : nucléation, élongation et équilibre > Protéines de coiffe : CapZ (+), ARP (-), tropomoduline (-) > Protéines de séquestration : thymosine, profiline > Protéines de fasciculation : a-actinine, ombrine, flamine, spectrine > Rôles : forme de la cellule, mouvement cellulaire, cytodiérèse, contraction musculaire, phagocytose Microtubules : > Polymères de dimères de tubulines a et B avec extrémités (+) et (-) > Polymérisation : nucléation, élongation, équilibre, en présence de GTP > Protéines associées : tau, MAP, catastrophines, plectre, +TIP > Rôles : ségrégation chromosomes, transport intracellulaire (rétrograde ou antérograde grâce à la dynéine ou l'résine, respectivement), positionnement des organites, constituants des cils et flagelles Filaments intermédiaires : > Polymères de tétramères de protéines contenant une région en hélice a > Pas de site de taxation de GTP ou ATP au niveau des sous-unités > Principaux filaments intermédiaires : kératines, lamines, vimentine, desmines, neurofilaments > Rôles : résistance aux contraintes mécaniques

Concentration critique : concentration d'actine ou de tubuline pour laquelle la vitesse de polymérisation équivaut à la vitesse de dépolymérisation.

QCM - Cytosquelette 1. Microtubules

Tl.. Les microtubules sont constitués de tubuline. B. La tubuline est une protéine globulaire.

E8. Des homodimères de tubuline a forment les polymères de tubuline. D. Un polymère de tubuline s'appelle un protofilament. E. Un microtubule est constitué de 15 protofilaments.

2. Centrosomes

A. Les protofilaments s'associent au niveau du centre organisateur des microtubules.

B. Le centre organisateur des microtubules est appelé "centrosome".

:::. L'association de quatre œntrioles forme un centrosome.

D. Un centriole est formé d'un anneau de 13 monomères de tubuline y. E. II existe deux centrosomes dans la plupart des cellules somatiques eucaryotes.

3. Croissance des microtubules in vitro

A. La taille des microtubules dépend uniquement de la vitesse de polymérisation B. CL. D. E.

des dimères de tubulines. Les microtubules sont polarisés. C'est au niveau de l'extrémité (+) qu'a lieu la polymérisation. De I'ATP est nécessaire à la polymérisation des dimères de tubuline. In vitro, la concentration critique correspond à la concentration de tubuline où la polymérisation est en équilibre avec la dépolymérisation.

Cytosquelette

69

4. Formation des microtubules

A. II est possible, in vitro, de polymériser des dimères de tubulines a et B en ajoutant au milieu réactionnel du GTP.

8. La polymérisation des microtubules se décompose en trois phases : nucléation, élongation et terminaison.

G. Quand la concentration en tubuline-GTP est supérieure à celle en tubulineGDP, le microtubule se polymérise.

D. Le taxol est une molécule qui favorise la polymérisation des microtubules. E. La colchicine stabilise le microtubule. 5. Protéines associées aux microtubules (I)

A. Les protéines associées aux microtubules sont des moteurs moléculaires. 8. La protéine Tau est une protéine associée aux microtubules.

r:.

Les protéines MAP ont un rôle dans l'agencement de microtubules.

D. La dynéine permet le transport de molécules ou d'organites dans le sens antérograde.

E. La kinésine a un rôle identique à celui de la dynéine. 6. Protéines associées aux microtubules (II)

A. B. G. D. E.

Une hyperphosphorylation de Tau est associée à la maladie d'Alzheimer. La colchicine favorise le désassemblage des microtubules. Les effets de la colchicine sont réversibles une fois la molécule retirée. La colchicine provoque la désorganisation de l'appareil de Golgi. Certaines MAP peuvent relier les microtubules entre eux.

7. Protéines associées aux microtubules (Ill)

A. Les protéines +TIP régulent l'instabilité dynamique des microtubules. B. Les protéines +TIP lient l'extrémité positive des microtubules.

c.

Les protéines +TlP favorisent l'accrochage des microtubules à des structures cellulaires. D. Quand un microtubule est attaché à une structure cellulaire, sa polymérisation génère une force de traction. E. Quand un microtubule est attaché à une structure cellulaire, sa dépolymérisation génère une force de poussée.

70

L'essentiel de la biologie cellulaire 8. Rôles des microtubules

A. Les microtubules participent au transport vésiculaire. B. Les microtubules participent au déplacement des mitochondries le long de

l'axone d'un neurone. Les microtubules sont les moteurs moléculaires impliqués dans la contraction musculaire. D. Les microtubules sont des constituants importants des cils ou des flagelles. E. Les microtubules sont indispensables au processus de mitose.

[Î-.

9. Filaments d'actine (I)

A. B. El. D. E.

L'actine G est une protéine de forme globulaire. L'actine G possède deux sites de fixation à l'ATP. La polymérisation de l'actine G forme des microfilaments d'actine. L'actine F est composée d'actine G. Un microfilament d'actine correspond à l'enroulement de deux brins d'actine polymérisée.

10. Filaments d'actine (II)

A. Comme pour les microtubules, les microfilaments d'actine possèdent une B. El. D. E.

extrémité (+) et une extrémité (-). L'ATP est nécessaire à la polymérisation de molécules d'actine G. La vitesse de polymérisation est plus importante au niveau de l'extrémité (+). La cytochalasine B inhibe la polymérisation des filaments d'actine. La phallo'l'dine, molécule issue de l'amanite phallo'llde, inhibe la polymérisation des filaments d'actine.

11. Filaments d'actine (III) JE..

In vitro, la polymérisation d'actine requiert de l'actine G et de l'ATP.

B. La première phase de polymérisation de l'actine passe par une phase dite de nucléation.

1::. L'élongation est la phase qui suit la phase de nucléation.

D. L'activité ATPasique de l'actine G est nécessaire à la polymérisation. E. Le maintien d'une taille constante d'un filament d'actine in vitro correspond à un arrêt des processus de polymérisation/dépolymérisation.

Cytosquelefie

71

12. Protéines associées à l'actine (I)

A. Dans la plupart des cellules, la majorité de l'actine se trouve sous forme polymérisée.

B. Les monomères d'actine se trouvent sous forme libre dans le cytosol. C. Profiline et thymosine sont deux protéines qui s'associent à l'actine G et ont des effets opposés.

D. La thymosine favorise la polymérisation d'actine. E. La profiline favorise la dégradation de l'actine F. 13. Protéines associées à l'actine (II)

A. B. El. D. E.

La colline favorise la ramification des filaments d'actine. La colline favorise la dépolymérisation de l'actine F. La dystrophine relie l'actine à la myosine. La dystrophine est mutée dans la myopathie de Duchenne. Les formines favorisent la nucléation de l'actine.

14. Protéines associées à l'actine (III)

Tl.. Les protéines ARP favorisent la nucléation des filaments d'actine. B. Les protéines ARP favorisent la polymérisation de l'extrémité (+).

:::. Les protéines ARP favorisent l'organisation des filaments d'actine en un réseau ramifié.

D. La gelsoline est activée par des concentrations calciques intracellulaires élevées.

E. La gelsoline permet de rompre les filaments d'actine. 15. Protéines associées à l'actine (IV)

A. La tropomyosine est une protéine qui s'associe aux filaments d'actine afin d'augmenter sa stabilité.

B. La tropomyosine se fixe à l'extrémité (+) du filament d'actine. C. La stabilité de l'actine F peut être augmentée grâce à la fixation au niveau de l'extrémité (-) de la protéine de coiffe CapZ.

D. Dans les cellules musculaires, la fixation de la tropomoduline au niveau de l'extrémité (-) augmente la stabilité des filaments d'actine.

E. En plus de son rôle dans la nucléation du filament d'actine, les protéines ARP peuvent aussi servir de protéine de coiffe.

L'essentiel de la biologie cellulaire

72 16. Protéines associées à l'actine (V)

A. Les protéines de réticulation de l'actine conduisent toujours à une organisation parallèle des microfilaments.

8. LO-actinine se retrouve au niveau des sarcomères.

c.

La fimbrine est une protéine qui organise parallèlement les filaments d'actine de telle sorte que l'actine soit reconnue par les têtes de myosine II. D. La filamine organise les faisceaux d'actine de façon parallèle. E. La filamine est indispensable à la formation des Iamellipodes.

17. Actine et membrane

A. La nucléation de l'actine est un phénomène qui ne s'observe qu'in vitro. B. Dans la cellule, la nucléation de l'actine a lieu au niveau du noyau. G. Le cortex cellulaire correspond à la zone sous-membranaire riche en filaments d'actine.

D. Les filaments d'actine du cortex cellulaire déterminent la forme de la cellule. E. Les filaments d'actine sont impliqués dans les processus de phagocytose. 18. Contraction

A. La myosine de type II contient deux chaînes longues et deux têtes S1. B. La myosine de type I ne contient qu'une seule tête.

c.

Les têtes de myosine ont une forte affinité pour l'actine lorsqu'elles fixent une molécule d'ATP. D. L'hydrolyse de l'ATP permet le basculement de la tête S1 et ainsi le mouvement du filament d'actine. E. La force générée au niveau d'un muscle est liée au raccourcissement des sarcomères, unité contractile du muscle.

19. Rôles des filaments d'actine

A. Les filaments d'actine permettent le déplacement des mitochondries. B. Les microfilaments sont impliqués dans les mécanismes de phagocytose. C. Les microfilaments sont impliqués dans les mécanismes de ségrégation des chromosomes au cours de la mitose.

D. Les microfilaments participent à la cytod iérèse. E. Les microfilaments contribuent à la forme des cellules.

Cytosquelefie

73

20. Filaments intermédiaires (I)

A. Les filaments intermédiaires sont des éléments du cytosquelette. B. Les filaments intermédiaires sont retrouvés principalement dans les cellules

soumises à un stress mécanique. Comme la tubuline ou l'actine, les sous-unités des filaments intermédiaires contiennent un site de fixation à un nucléotide triphosphate afin de permettre la polymérisation des sous-unités. D. Les filaments intermédiaires sont des polymères de protéines contenant une région en hélice a. E. L'association de deux dimères de microfilaments, en direction opposée, constitue l'unité soluble du microfilament.

[Î-.

21. Filaments intermédiaires (II)

Les lamines peuvent former des filaments intermédiaires.

A.8. Leur polymérisation est régulée par leur état de phosphorylation. B. La vimentine forme des filaments intermédiaires dans de nombreuses œllules provenant du mésenchyme.

D. Les filaments intermédiaires à base de kératine sont identiques quel que soit le type cellulaire.

E. Les kératines sont particulièrement importantes au niveau des points de contact entre les cellules épithéliales, appelés desmosomes.

22. Filaments intermédiaires (Ill) .I'I..

Leur polymérisation nécessite directement de l'ATP.

B. Leur polymérisation nécessite directement du GTP.

LI. Les filaments intermédiaires sont polarisés. D. Les filaments intermédiaires sont des structures inertes. E. Ce sont des protéines relativement insolubles. 23. Filaments intermédiaires (IV)

La nature des filaments intermédiaires est identique dans toutes les cellules. Les filaments intermédiaires interagissent avec les autres éléments du cytosquelette. C. Les neurofilaments participent à l'augmentation du diamètre des axones. D. Une agrégation de neurofilaments peut conduire au développement de pathologies neurodégénératives. E. La desmine participe à l'alignement des myofibrilles et à la résistance mécanique de la cellule musculaire. J5..8.

L'essentiel de la biologie cellulaire

74 24. Cytosquelette, signalisation et pathologies

A. Les éléments du cytosquelette participent à l'intégration des signaux extracellulaires.

B. Talitres et vinculines sont des protéines faisant le lien entre actine et intégrine. C. La dystrophine est une protéine retrouvée dans les cellules musculaires et fait le lien entre l'actine et la lambine de la matrice extracellulaire.

D. La myopathie de Duchenne a pour cause primaire un déficit en actine. E. La maladie d'Alzheimer peut avoir comme origine une accumulation de la protéine Tau dans le cytosol.

25. Cytosquelette et proca ryotes

A. B. D. D. E.

Le cytosquelette est spécifique aux eucaryotes. La protéine Ftsz est l'homologue de la tubuline. Ftsz possède une activité GTpase. MreB est Tunique homologue de l'actine eucaryote. Les bactéries ne possèdent pas de filaments intermédiaires.

QCM - Cytosquelette - Réponses 1. Microtubules

Tl.. VRAI. B. VRAI.

E8. FAUX. II s'agit d'hétérodimères de tubulines a et B. D. VRAI. E. FAUX. Un microtubule est constitué de 13 protofilaments.

2. Centrosomes

A. B. G. D. E.

VRAI. VRAI. FAUX. Un centrosome est composé de deux centrioles. FAUX. Un centriole est composé de neuf triplets de microtubules. VRAI.

3. Croissance des microtubules in vitro

A. FAUX. II s'agit de l'instabilité dynamique : la taille dépend des vitesses de polymérisation et de dépolymérisation.

8. VRAI. II existe une extrémité (+) et une extrémité (-).

cz.

VRAI. L'extrémité (-) est le siège de la dépolymérisation.

D. FAUX. Seul le GTP est nécessaire à la polymérisation de la tubuline. E. VRAI. 4. Formation des microtubules

VRAI. FAUX. Le microtubule est en constante polymérisation/dépolymérisation. II n'existe donc pas d'étape de terminaison. II s'agit d'un état d'équilibre. C. VRAI. D. VRAI. E. FAUX. Elle favorise la dépolymérisation.

n.8.

76

L'essentiel de la biologie cellulaire 5. Protéines associées aux microtubules (I)

A. FAUX. Même si la dynéine et la kinésine sont des protéines motrices B. C. D. E.

associées aux microtubules, la plupart des protéines associées aux microtubules ne sont pas des protéines motrices. VRAI. VRAI. Les MAP sont des protéines associées aux microtubules et ont un rôle structural. FAUX. La dynéine transporte molécules, macromolécules ou organites dans le sens rétrograde, vers l'extrémité (-). FAUX. La kinésine est aussi un moteur moléculaire mais cette protéine véhicule molécules, macromolécules ou organites dans le sens antérograde, vers l'extrémité (+) du microtubule.

6. Protéines associées aux microtubules (II)

A. B. EZ. D.

VRAI. VRAI. VRAI. VRAI. Ceci prouve la nécessite des microtubules pour la bonne organisation des organites. E. VRAI. C'est par exemple le cas de la plectine.

7. Protéines associées aux microtubules (III)

A. VRAI. B. VRAI.

:::.

VRAI.

D. FAUX. C'est l'inverse. E. FAUX. C'est l'inverse.

8. Rôles des microtubules

A. VRAI. B. VRAI. C. FAUX. Actine et myosine sont les protéines impliquées dans la contraction musculaire.

EI. VRAI. E. VRAI.

Cytosquelefie

77

9. Filaments d'actine (I)

A. VRAI. C'est pour cela qu'elle est appelée G. B. FAUX. L'actine G ne possède qu'un seul site de fixation pour l'ATP mais

possède un second site de fixation qui reconnait une autre molécule d'actine G.

B. VRAI. D. VRAI. L'actine F correspond à l'actine filamenteuse ou fibrillaire. C'est un homopolymère d'actine G.

E. VRAI.

10. Filaments d'actine (II)

A. B. El. D. E.

VRAI. VRAI. VRAI. VRAI. FAUX. La phalIo'lldine inhibe la dépolymérisation du filament d'actine, le stabilise, favorisant de ce fait la polymérisation des microfilaments.

11. Filaments d'actine (Ill)

A. VRAI B. VRAI.

c.

VRAI.

D. VRAI. E. FAUX. Les vitesses de polymérisation et de dépolymérisation sont identiques.

Les molécules d'actine G passent de l'extrémité (+) à l'extrémité (-). Ceci porte le nom de tapis roulant.

12. Protéines associées à l'actine (I) JE..

FAUX. II y a environ 50% d'actine G et 50% d'actine F.

B. FAUX. L'actine G est associée à d'autres protéines spécifiques. C. VRAI. Ces deux protéines entrent en compétition. D. FAUX. La thymosine reconnaît spécifiquement l'actine G libre et empêche sa polymérisation.

E. FAUX. La profiline s'associe spécifiquement à l'actine G pour augmenter la polymérisation du brin d'actine au niveau de l'extrémité (+).

78

L'essentiel de la biologie cellulaire

13. Protéines associées à l'actine (II)

A. B. G. D. E.

FAUX. La colline favorise le fractionnement des filaments d'actine. VRAI. FAUX. C'est protéine qui associe l'actine F à la membrane sarcoplasmique. VRAI. C'est une pathologie à transmission récessive liée au chromosome X. VRAI.

14. Protéines associées à l'actine (Ill)

Tl.. VRAI. ARP signifie « actin-related protein ››. B. VRAI. Les protéines ARP se fixent au niveau de l'extrémité (-) permettant ainsi une élongation plus rapide au niveau de l'extrémité (+).

C-. VRAI. D. VRAI. E. VRAI.

15. Protéines associées à l'actine (IV)

A. VRAI. B. FAUX. La tropomyosine se fixe le long du filament sur environ sept

monomères. FAUX. Capz favorise effectivement la stabilité du filament mais se fixe au niveau de l'extrémité (+). D. VRAI. E. VRAI. Néanmoins, dans une cellule non musculaire, la plupart des filaments d'actine ne sont pas coiffés au niveau de leur extrémité (-).

:::.

16. Protéines associées à l'actine (V)

A. FAUX. Les protéines de réticulation organisent les filaments d'actine soit de façon parallèle (fibres), soit en un réseau en forme de mailles.

B. VRAI. C. FAUX. Les filaments d'actine sont trop rapprochés pour autoriser la fixation de la myosine II.

D. FAUX. La flamine permet la formation d'un gel lâche et visqueux. E. VRAI.

Cytosquelette

79

17. Actine et membrane

A. FAUX. La nucléation se déroule également dans la cellule. B. FAUX. La nucléation a lieu la plupart du temps au niveau de la membrane plasmique.

G. VRAI. D. VRAI. E. VRAI.

18. Contraction

A. VRAI. B. VRAI.

c.

FAUX. Leur affinité est réduite Iorsqu'eIIes fixent de I'ATP. Ceci permet de lever l'interaction actine/myosine. DI. VRAI. Ce mécanisme permet la génération de la force mécanique. E. VRAI. Les sarcomères sont délimités par les stries Z. Le basculement entre filaments d'actine et de myosine conduit une réduction de la taille des sarcomères. Cela correspond à la contraction musculaire.

19. Rôles des filaments d'actine

A. B. C. D. E.

FAUX. Ce sont les microtubules. VRAI. FAUX. Ce sont les microtubules. VRAI. VRAI.

20. Filaments intermédiaires (I)

n. B. c.

VRAI. VRAI.

FAUX.

D. VRAI. E. VRAI. Ce tétramère équivaut à l'actine G ou au dimère de tubulines a et B pour les microfilaments et les microtubules, respectivement.

L'essentiel de la biologie cellulaire

80 21. Filaments intermédiaires (II)

A. B. G. D. E.

VRAI. Elles constituent la lamina nucléaire. VRAI. Exemple : la phosphorylation des lamines induit leur dépolymérisation. VRAI. FAUX. II existe plus de 20 types différents de kératine. VRAI.

22. Filaments intermédiaires (III)

Tl.. B. G. D.

FAUX.

FAUX. FAUX. C'est une différence avec les microfilaments ou les microtubules. FAUX. Ce sont des protéines dynamiques. Cette dynamique dépend principalement de leur état de phosphorylation. E. VRAI. II est difficile d'extraire les filaments intermédiaires même en présence de détergents ioniques.

23. Filaments intermédiaires (IV)

Tl.. FAUX. Leur expression dépend de la cellule. B. VRAI. Cela constitue un véritable cytosquelette intégré.

:::.

VRAI.

D. VRAI. Exemple : la maladie de Parkinson. E. VRAI. Des mutations dans le gène de la desmine conduisent à des myopathies se manifestant par des faiblesses musculaires et des arythmies cardiaques.

24. Cytosquelette, signalisation et pathologies

.l's.

B. C. D. E.

VRAI. Par exemple, les intégrines en contact avec la matrice extracellulaire sont indirectement associées aux filaments d'actine. VRAI. VRAI. FAUX. La myopathie de Duchenne est due à un déficit de dystrophine qui sera responsable d'une dégénérescence musculaire. VRAI. La maladie d'Alzheimer est une maladie neurodégénérative. Parmi les mécanismes impliqués, une hyperphosphorylation et une phosphorylation anormale de la protéine Tau conduiraient au détachement de cette protéine des microtubules. Ceci serait responsable d'une agrégation de neurofibrilles et de la mort des neurones cholinergiques.

Cytosquelefie

81

25. Cytosquelette et procaryotes

A. FAUX. Depuis une trentaine d'annees, des études montrent que les bactéries ont un cytosquelette.

B. VRAI. B. VRAI. C'est une des similarités avec la tubuline. D. FAUX. II existe plus de 35 protéines homologues de l'actine chez les procaryotes.

E. FAUX. Plusieurs gènes ont été identifiés, comme celui codant la crescentine.

Exercices - Cytosquelette Exercice 1 Des chercheurs veulent étudier l'influence de la phosphorylation des « microtubule-associated proteins ›› (MAP) sur la polymérisation des microtubules in vitro. Question 1

Quels sont les éléments nécessaires à la polymérisation des microtubules in vitro ? Quelles sont les différentes étapes de la polymérisation des microtubules ?

I

I In

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I

I

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I

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I

I-.'__.__

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I

I 1l

:-

l

_

Elensié np1Ir4ue :ä 35:-[1 nm

Après avoir préparé le mélange réactionnel, les chercheurs y ajoutent des MAP soit phosphorylées, soit non phosphorylées et observent la vitesse la polymérisation de la tubuline en suivant la turbidité de la solution par la mesure de la densité optique à 350 nm. Les résultats sont les suivants (Figure 4.4) :

I'

'1I.'Îl'l

I

15"-

Temps (mini

Figure 4.4 : Réaction de polymérisation des microtubules in vitro, en présence de MAP phosphorylées ou non phosphorylées.

Question 2

La phosphorylation des MAP favorise-t-elle la polymérisation des microtubules ? Préciser.

Question 3

D'après vos connaissances, quelle autre molecule empêche la polymérisation des microtubules ?

83

Cytosquelefie

Exercice 2 Des chercheurs ayant extrait des protéines de muscles squelettiques s'aperçoivent que, dans certaines conditions expérimentales, la solution obtenue était plus ou moins visqueuse. Les auteurs ont attribué ce changement de viscosité à la polymérisation de l°actine G en actine filamenteuse. Ils entreprennent alors de comprendre les déterminants de cette polymérisation. Tout d'abord, ils mesurent 1°absorbance d'une solution d'actine obtenue à partir de muscles. Le pic d'absorbance est mesuré à 260 nm. Lorsque la solution est précipitée et remise en suspension dans un milieu alcalin, le pic d'°absorbance est de 275 nm.

Question 1

D'après vos connaissances, quels composés absorbent à la longueur d'onde de 260 nm ? A la longueur d'onde de 280 nm ?

Question 2

Quelle hypothèse avancer pour expliquer que l'actine, une protéine, absorbe aux alentours de 260 nm lorsqu'elle provient directement du broyat musculaire ?

Ainsi, les chercheurs vont incuber des monomères d'°actine G en présence de GTP, de TTP, d'ATP ou de CTP, et vont suivre la viscosité de la solution au cours du temps. Plus la viscosité augmente, plus l°actine est sous forme polymérisée. Voici les résultats obtenus (Figure 4.5) :

+

?

-I- ?

U'I

-G- ?

I

Viscosité (unités arbitraires)

_ \

Fibre chromatinienne : Ebre nucléosomique compactée grâce à l'histone H1 > Chromosome : stade ultime de compaction de l°ADN dans la cellule Communication nucléoplasme/cytoplasme : > Autorisée par l°existence de pores nucléaires > Transport passif pour les petites molecules (< 5 kDa) > Transport actif de molécules du cytoplasme vers le nucléoplasme grâce aux importines > Transport actif de molecules du nucléoplasme vers le cytoplasme grâce aux exportines > Nécessité de la protéine Ran-GDP ou Ran-GTP pour l°import/export Réplication : > Reproduction à l'identique de l°ADN au cours de la phase S > Mode semi-conservatif et bidirectionnel Transcription : > Passage de l'ADN à l°ARN au cours de l"intelphase > ARN messagers : codent des protéines > ARN ribosomaux : composants des ribosomes >* ARN de transfert : traduction des codons en acides aminés

QCM - Noyau 1. Structure de l'ADN

Tl.. ADN signifie acide désoxyribonucléique. B. Un nucléotide est un nucléoside associé à un ou plusieurs groupements

phosphate. L"ADN est un polymère de nucléotides. EI. Les bases azotées entrant dans la composition de l'ADN sont l'adénine, la guanine, la cytosine et l'uracile. E. Les nucléotides sont reliés entre eux par des liaisons phosphodiester.

III.

2. Chromosome (I)

A. L'Homme possède 23 paires de chromosomes. B. La chromatide est la molécule d'ADN qui, associée à des protéines spécifiques,

constitue le chromosome. En début d'interphase, une cellule somatique possède 2n chromosomes à une chromatide. D. Les chromosomes sont les plus visibles au cours de l'interphase. E. Le chromosome correspond à la forme transcriptionnellement active de la chromatine.

c.

3. Chromosome (II)

A.8. C. D. E.

Le centromère est la zone où les deux chromatides sœurs se rejoignent. Comme son nom l'indique, le centromère se trouve au centre des chromatides. La position du centromère définit les brins courts et longs des chromosomes. Les extrémités des chromosomes sont appelées télomères. Les télomères sont constitués de séquences répétitives d'ADN.

135

Noyau 4. Chromosome (Ill)

A. Le chromosome bactérien se présente sous forme de chromatine. B. L'ARN polymérase bactérienne peut se fixer facilement au chromosome

bactérien. Le caryotype repose sur la coloration des chromosomes, puis leur agencement par paire homologue et par taille croissante. D. Le caryotype permet d'identifier des maladies génétiques. E. La trisomie 21 se caractérise par la présence d'un chromosome 21 surnuméraire.

[Î-.

5. Chromatine

A. Un nucléosome est un octamère d'histones. B. L'octamère d'histones formant le nucléosome comprend 2 H2A, 2 H2B, 2 H3 et 2 H4.

B. Environ 500 pb s'enroulent autour de l'octamère d'histones. D. La fibre nucléosomique a un diamètre de 11 nm. E. L'histone H1 est indispensable à la formation de la fibre nucléosomique. 6. Modifications des histories

A. Les histories sont riches en résidus basiques. B. La phosphorylation des lysines conduit à la dissociation des histories avec l'ADN.

B. L'acétylation des histories est une modification irréversible. D. L'acétylation des histories à leur extrémité Ct permet une décor paction de I'ADN.

E. La phosphorylation des histories H1 provoque une d'compaction de l'ADN. 7. Euchromatine/Hétérochromatine (I) JE..

L'hétérochromatine est une chromatine condensée.

B. L'hétérochromatine est une structure qui retient les colorants nucléaires. E8. L'hétérochromatine se trouve plutôt en périphérie du noyau. D. L'hétérochromatine est la forme principale de la chromatine d'une cellule en interphase.

E. L'euchromatine permet une transcription importante de l'information génétique.

136

L'essentiel de la biologie cellulaire

8. Euchromatine/Hétérochromatine

(II)

A. B. G. D.

L"hetérochromatine est en contact avec le complexe du pore nucléaire. L'hétérochromatine est méthylée. En microscopie électronique, Fhétérochromatine apparaît dense aux électrons. En microscopie électronique, la majorité de l'euchromatine apparaît peu dense aux électrons. E. En microscopie électronique, le nucléole apparaît dense aux électrons car c'est une zone où l'hétérochromatine est transcrite activement.

9. ARN (|)

A. B. El. D. E.

II n'e×iste que trois types différents d'ARN. Tous les ARN sont traduits en protéines. Certains ARN régulent l'expression génique. Les ARNr sont des éléments des ribosomes. L'ARN polymérase II transcrit les ARN de transfert.

10. ARN (II)

Tl.. L'ensemble des ARNm diffuse de façon passive, via les nucléopores, vers le cytoplasme.

B. Le précurseur de l'ARNr 5s est rARNr 45S.

or..

Après modifications chimiques et clivages, l'ARNr 45S donne les ARNr 5,8S, 18S et 28S. D. L"ARNr 45S est synthétisé dans le nucléole. E. Les ribosomes sont formés dans le noyau.

11. Noyau (I)

A. B. C. D. E.

Le noyau contient la totalité de l'information génétique d'une cellule eucaryote. Toutes les cellules différenciées possèdent un noyau. Le noyau n'est observable qu'au microscope électronique. Certaines cellules différenciées peuvent contenir plusieurs noyaux. Le noyau a toujours une forme ronde ou ovo'l'de.

137

Noyau 12. Noyau (II)

A. B. G. D. E.

Le noyau est un organite cellulaire. Le nucléole est un organite cellulaire. Le noyau est le lieu de synthèse de protéines. La transcription est un processus qui se produit notamment dans le noyau. Le noyau est caractéristique des cellules eucaryotes.

13. Noyau (III)

Tl.. B. G. D. E.

Un noyau en interphase comporte toujours un nucléole. Le noyau comporte une structure membranaire appelée nucléoplasme. Un nucléole est une structure dense aux électrons. Un nucléole est un lieu de synthèse des ARN ribosomaux. Le nucléolemme est le gel dans lequel baignent les éléments du noyau.

14. Enveloppe nucléaire (I) JE..

Une enveloppe délimite le noyau.

B. L'enveloppe est une structure qui ressemble à la membrane plasmique.

:::. Les membranes nucléaires sont riches en cardiolipides.

D. L'enveloppe nucléaire est imperméable. E. L'enveloppe nucléaire est connectée avec un autre système membranaire, en particulier avec le réticulum endoplasmique.

15. Enveloppe nucléaire (II) JE..

L'enveloppe nucléaire possède deux membranes.

B. Les membranes de l'enveloppe nucléaire sont séparées par un espace d'environ 200 nm.

C. L'espace périnucléaire correspond à l'espaœ délimité par les membranes de l'enveloppe nucléaire.

D. Le noyau est indépendant du reste de la cellule. E. Les nesprines connectent l'enveloppe nucléaire au cytosq uelette.

138

L'essentiel de la biologie cellulaire

16. Enveloppe nucléaire (III)

A. B. G. D. E.

La membrane nucléaire interne est en contact avec le nucléoplasme. La membrane interne peut être recouverte de ribosomes. La membrane externe peut être recouverte de ribosomes. L'enveloppe nucléaire interagit directement avec la chromatine. L'enveloppe nucléaire est stabilisée du côté de la membrane externe par la lamina.

17. Complexe du pore nucléaire (I)

A. II y a peu de nucléopores sur l'enveloppe nucléaire. B. Les protéines qui constituent le complexe du pore nucléaire s'appellent les nucléoporines.

:::. Le canal formé par le complexe du pore nucléaire permet la diffusion passive de petites molécules hydrophiles.

D. Le transport des petites molécules est unidirectionnel. L'échange se fait toujours du cytosol vers le noyau.

E. Les ribosomes diffusent librement du cytosol vers le nucléoplasme. 18. Complexe du pore nucléaire (II)

A. Le complexe du pore nucléaire possède une symétrie d'ordre huit. B. Du côté cytoplasmique, il existe deux anneaux formant un panier cytoplasmique.

B. Le complexe du pore nucléaire est organisé autour d'un canal central formé par les importines.

D. Le complexe du pore nucléaire est le siège de transports actifs et passifs. E. L'anneau nucléoplasmique est relié à un anneau distal par l'intermédiaire de protéines fibrillaires.

19. Complexe du pore nucléaire (III)

A. Le complexe du pore nucléaire est une structure dynamique. B. Le diamètre du pore peut varier entre 20 et 40 nm. C. Les ribosomes complètement assemblés passent par le complexe du pore nucléaire.

EI. Le nombre de pores nucléaires d'une cellule est constant. E. Un noyau comporte environ 100 000 pores nucléaires.

139

Noyau 20. Transport par l'enveloppe nucléaire (I)

A. L"ADN polymérase diffuse de façon passive du cytosol vers le noyau. B. Les molécules permettant le passage des protéines depuis le cytosol vers le noyau s'appellent les importines.

B. L'import/export de la plupart des protéines nécessite un transport actif. D. L'hydrolyse de GTP est nécessaire pour l'export de protéines. E. La séquence NLS indique que la protéine doit avoir une localisation nucléaire. 21. Transport par l'enveloppe nucléaire (II)

A. Les ARN de grande taille sont pris en charge par des exportines. B. La séquence de localisation nucléaire se trouve généralement du coté Cl. E8. Le GTP nécessaire à l'import ou à l'export des protéines est hydrolyse par les importines ou exportines.

D. La protéine Ran appartient à la famille des GTpases monomériques. E. Le facteur Ran-GAP catalyse l'hydrolyse du GTP en GDP. 22. Nucléole

Tl.. Le nucléole est une structure qui peut s'obsener en microscopie optique à lumière blanche.

B. Le nucléole se trouve toujours en périphérie du noyau.

c.

Le nucléole est entouré par une membrane lipidique.

D. La présence d'un nucléole est une caractéristique des cellules en interphase. E. Le nucléole est une structure où se forment les sous-unités ribosomiques.

23. Lamina (I)

La lamina est constituée de microfilaments.

.I'I..8. Les lamines constituent la lamina.

c.

Les lamines sont ubiquitinylées au cours de la mitose.

D. Les lamines sont dégradées au cours de la mitose. E. La déphosphorylation est nécessaire à la polymérisation des lamines.

140

L'essentiel de la biologie cellulaire

24. Lamina (II)

A. B. G. D.

La lamina apporte une résistance mécanique au noyau. La lamina sert de point d'ancrage des chromosomes. La lambine est un constituant de la lamina nucléaire. Des mutations dans les gènes codant les lamines provoquent une accélération prématurée du vieillissement. E. La maladie de Hutchinson-Gilford est due à une mutation du gène codant les lamines NC.

25. Méthodes

A. II est possible d'apprécier la quantité d'ADN de œllules par cytométrie en flux. B. L'iodure de propidium est un intercalant dont la fluorescence est proportionnelle à la quantité d'ADN.

EZ. Seules les cellules en phase de réplication d'ADN (phase S) incorporent l'iodure de propidium.

D. La brome-désoxyuridine est incorporée à l'ADN des cellules en mitose. E. Les cellules BrdU positives peuvent être détectées directement par cytométrie en flux.

QCM - Noyau - Réponses 1. Structure de l'ADN

Tl.. VRAI. B. VRAI. Un nucléotide peut être mono, bi ou triphosphate.

E8. VRAI. D. FAUX. La thymine est la deuxième base pyrimidique de I'ADN. Elle est remplacée par l'uracile dans l'ARN. E. VRAI

2. Chromosome (I)

VRAI. II possède 22 paires d'autosomes et une paire de gonosomes.

A.8. VRAI.

c:.

VRAI.

D. FAUX. Ils sont plus visibles au cours de la mitose et en particulier au cours de la métaphase.

E. FAUX. Cette forme est trop compactée pour qu'iI y ait une activité transcriptionnelle.

3. Chromosome (II)

.l's. VRAI. B. FAUX. II peut se trouver au centre (centromère métacentrique) ou ailleurs sur les chromatides. B. VRAI. Le brin long est noté q et le brin court est noté p. D. VRAI. E. VRAI.

L'essentiel de la biologie cellulaire

142 4. Chromosome (Ill)

A. FAUX. En absence d'histones, I'ADN bactérien n'est pas associé à des

protéines permettant sa compaction. II n'y a pas de chromatine bactérienne per se. B. VRAI. L'ADN n'étant pas compacte, l'ARN polymérase a un accès simplifié à ses sites de fixation. :::. FAUX. Le caryotype repose sur la coloration des chromosomes, puis leur agencement par paire homologue et par taille décroissante. D. FAUX. Le caryotype permet d'identifier des anomalies chromosomiques. E. VRAI. Dans cette maladie caractérisée par un retard cognitif et une atteinte morphologique, il y a trois chromosomes n°21 au lieu de deux.

5. Chromatine

FAUX. Un nucléosome est un octamère d'histones associé à l'ADN. VRAI. B. FAUX. Environ 200pb forment le nucléosome. D. VRAI. E. FAUX. L'histone H1 intervient dans la formation de la fibre chromatinienne.

n.8.

6. Modifications des histories

A. VRAI. Ils sont riches en lysine et arginine. B. FAUX. La lysine n'est pas un résidu phosphorylable.

:::. FAUX. L'histone déacétylase HDAC est capable d'enlever le groupement acétyl de l'acide aminé.

D. VRAI. E. FAUX. La phosphorylation va permettre de passer d'une fibre nucléosomique à une fibre chromatinienne.

7. Euchromatine/Hétérochromatine

A. B. C. EI. E.

(I)

VRAI. VRAI. VRAI. Elle interagit avec la lamina nucléaire. FAUX. L'euchromatine est prédominante dans une cellule en interphase. VRAI. II s'agit d'une forme d'compactée de l'ADN, le rendant ainsi accessible aux complexes transcriptionnels.

143

Noyau 8. Euchromatine/Hétérochromatine

A. B. G. D. E.

(II)

FAUX. La chromatine n'est pas en contact avec le complexe du pore nucléaire. VRAI. La méthylation des histories participe à la condensation de I'ADN. VRAI. Ceci est lié à sa compaction importante. VRAI. FAUX. C'est une zone de transcription active d'euchromatine.

9. ARN (|)

Tl.. FAUX. Les ARN les plus connus sont les ARNm, ARrêt et les ARNr.

Néanmoins, d'autres ARN, comme les ri RNA, les siRNA ou les snRNA, sont aussi codés par l'ADN. B. FAUX. Seuls les ARN messagers sont traduits en protéines. cx. VRAI. Les siRNA et les ri RNA conduisent, respectivement, à la dégradation des ARNm ou à l'inhibition de la traduction. D. VRAI. E. FAUX. L'ARN polymérase II transcrit les ARNm et également certains snRNA, ri RNA et siRNA. Les ARrêt sont produits par I'ARN polymérase III.

10. ARN (II)

A. FAUX. La plupart des ARN sont pris en charge par des exportines pour traverser le nucléopore.

B. FAUX. L'ARNr 58 est directement transcrit par I'ARN polymérase III.

É.

VRAI.

D. VRAI. E. FAUX. Les sous-unités ribosomales sont formées dans le noyau mais leur association en ribosomes se fait dans le cytoplasme.

11. Noyau (I) JE..

FAUX. Une partie de l'information génétique se trouve dans les mitochondries.

B. FAUX. Certaines cellules comme les hématies ou les plaquettes n'ont pas de noyau cellulaire.

C. FAUX. II peut être observé en microscopie optique suite à une coloration, comme avec l'hématoxyline.

EI. VRAI. II existe des syneytia résultant de la fusion de plusieurs cellules

différenciées. Le syncitium obtenu contient alors plusieurs noyaux. C'est le cas par exemple pour les fibres musculaires. E. FAUX. Dans œrtaines cellules immunitaires, le noyau a une forme polylobée.

L'essentiel de la biologie cellulaire

144 12. Noyau (II)

A. VRAI. B. FAUX. Un organite est une structure cellulaire ayant une fonction particulière et étant délimité par au moins une membrane lipidique.

B. FAUX. Les protéines sont produites par les ribosomes dans le cytoplasme. D. VRAI. La matrice mitochondriale est un autre lieu de transcription. E. VRAI. 13. Noyau (III)

A. B. C-. D. E.

FAUX. Une cellule peut avoir plusieurs nucléoles. FAUX. II n'y a pas de structure membranaire à l'intérieur du noyau. VRAI. VRAI. FAUX. II s'agit du nucléoplasme.

14. Enveloppe nucléaire (I)

A. VRAI. B. FAUX. L'enveloppe nucléaire est formée par deux membranes lipidiques. C. FAUX. Les cardiolipides sont des constituants de la membrane interne mitochondriale.

D. FAUX. II existe des pores nucléaires qui permettent un échange entre le cytosol et le noyau.

E. VRAI.

15. Enveloppe nucléaire (II)

VRAI.

.I'I..8. FAUX. L'espace est de quelques dizaines de nm.

c.

VRAI.

D. FAUX. Le noyau est en contact avec des éléments du cytosquelette. E. VRAI. Ces protéines de la membrane nucléaire externe connectent le noyau aux microfilaments et aux filaments intermédiaires.

145

Noyau 16. Enveloppe nucléaire (III)

A. B. G. D. E.

VRAI. FAUX. VRAI. FAUX. La chromatine interagit avec la lamina. FAUX. La lamina renforce l'enveloppe nucléaire au niveau de la membrane interne.

17. Complexe du pore nucléaire (I)

A. FAUX. Généralement, plusieurs milliers de pores nucléaires se trouvent sur l'enveloppe nucléaire.

B. VRAI. El. VRAI. Les molécules dont la taille est inférieure à 5 kDa transitent par œ canal. D. FAUX. Les échanges sont bidirectionnels puisque les petites molécules diffusent de façon passive.

E. FAUX. Leur taille est trop importante pour passer par les pores nucléaires. 18. Complexe du pore nucléaire (II)

A. VRAI. B. FAUX. Ce panier se trouve du côté nucléoplasmique.

c.

FAUX. Un canal central est formé par les nucléoporines.

D. VRAI. E. VRAI.

19. Complexe du pore nucléaire (III)

VRAI.

.I'I..8. VRAI.

c.

FAUX. Les ribosomes sont assemblés dans le cytosol.

D. FAUX. Leur nombre dépend de l'activité transcriptionnelle de la cellule. E. FAUX. II y a en général de quelques centaines à quelques milliers de pores par noyau. Ceci dépend du type cellulaire considéré et de son activité transcriptionnelle.

146

L'essentiel de la biologie cellulaire

20. Transport par l'enveloppe nucléaire (I)

A. FAUX. L'ADN polymérase doit être prise en charge par des protéines d'import. B. VRAI. Elles sont aussi appelées récepteurs pour l'import nucléaire. G. VRAI. II ne s'agit pas d'une diffusion passive comme pour les ions ou les nucléotides.

D. VRAI. E. VRAI.

21. Transport par l'enveloppe nucléaire (II)

A. B. C-. D. E.

VRAI. Les exportines prennent également en charge certaines protéines. FAUX. Cette séquence peut se trouver en Ct, Nr ou ailleurs dans la protéine. FAUX. Le GTP est hydrolysé par la protéine Ran. VRAI. VRAI.

22. Nucléole

A. B. C. D. E.

VRAI. FAUX. Le nucléole se trouve généralement au centre du noyau. FAUX. Cette structure n'est pas délimitée par une bicouche lipidique. VRAI. Le nucléole se désassemble au cours de la prophase mitotique. VRAI.

23. Lamina (I) JE..

8. D. D. E.

FAUX. La lamina n'est pas constituée de microfilaments d'actine mais de filaments intermédiaires. VRAI. FAUX. Les lamines sont phosphorylées au cours de la mitose. FAUX. Les lamines se dissocient au cours de la mitose, grâce à la phosphorylation, mais ne sont pas dégradées. VRAI. La déphosphorylation est nécessaire à la reformation de la lamina.

24. Lamina (II) JE..

8 C. D. E.

VRAI. VRAI. FAUX. La Iaminine est un composant de la matrice extracellulaire. VRAI. VRAI.

Noyau

147

25. Méthodes

A. B. G. D.

VRAI. VRAI. FAUX. L'iodure de propidium marque l'ADN de toutes les cellules. FAUX. La BrdU n'est incorporée que par les cellules en phase de réplication de l'ADN. E. FAUX. Une immunodétection de la BrdU doit être réalisée au préalable.

Exercices - Noyau Exercice 1 Vous avez identité la protéine Z, une protéine de 220 acides aminés, comme étant une protéine de localisation nucléaire. Pour comprendre les déterminants gouvernant cette localisation cellulaire, vous réalisez des constructions hybrides dans lesquelles certains fragments du gène codant la protéine Z sont fusionnés au gene codant la [3-galactosidase (gène appelé LacZ). Les protéines obtenues après transfection sont les suivantes (Figure 6.5) :

_

Nt

Ct

BY-galactosidase

220

1

5

I I

1

14

I

Protéine hybride 1

4

Protéine hybride 2

13

13

220

Protéine hybride 3

|

Protéine hybride 4

|

Protéine hybride 5

Figure 6.5 : Protéines hybrides obtenues après transfection des cellules par les plasmides correspondants. La numérotation correspond aux acides aminés de la protéine Z, notée en noir.

Après avoir transfecté des cellules avec les différentes constructions, le substrat de la BY-galactosidase est ajouté. La coloration observée au microscope à lumiere blanche permettra d'identifier la localisation de cet enzyme, et donc de la protéine Z. Les résultats obtenus sont les suivants (Figure 6.6) :

149

Noyau

B-galactosidase

Protéine hybride 1

«ii i §ÊIl l il›

Protéine hybride 3

Protéine hybride 4

Protéine hybride 5

Q

9 Q Q

0 0

Q

9

C

Q

0

0

0

Protéine hybride 2

Figure 6.6 : Observations obtenues suite à la transfection de cellules par les constructions présentées augure 6.5. Les points noirs représentent la coloration obtenue suite à 1°ajout du substrat de la BY-galactosidase. C : cytoplasme, N : noyau.

Question 1

Analyser les résultats.

Question 2

Que pouvez-vous conclure de ces résultats ?

EXERCICE 2 Des recherches sont entreprises afin de comprendre comment l'enveloppe nucléaire disparaît au cours de la mitose. Dans un premier temps, vous réalisez un fractionnement cellulaire pour obtenir les noyaux de cellules asynchrones en culture. Question 1

Rappeler le principe de la préparation nucléaire.

Ces extraits nucléaires vont servir à faire un western-blot Question 2

Rappeler le principe du western-blot.

150

L'essentiel de la biologie cellulaire

Question 3

A votre avis, quelles sont les protéines qui seront ciblées pour l'étude de l'enveloppe nucléaire ?

_-

Voici les résultats obtenus en utilisant deux protocoles différents (Figure 6.7)

I amim=fi. Tubulinr-

r

Nl È

CI

-

E1

I'-. 1

Figure 6.7 : Résultats du western-blot permettant d'évaluer la qualité de la préparation nucléaire. Nl et C1 correspondent, respectivement, aux fractions nucléaires et cytoplasmiques de la première préparation, N2 et C2 correspondent aux fractions de la deuxième préparation.

Question 4

Quel protocole allez-vous retenir ?

Le protocole mis au point, vous commencez 1°etude des mécanismes impliqués dans la rupture de l'enveloppe nucléaire au cours de la mitose.

Question 5

Quel traitement préalable doivent subir les œllules en culture afin de pouvoir étudier les mécanismes impliqués dans la rupture de l'enveloppe ?

Après avoir réalisé ce traitement, vous préparez des fractions nucléaires de cellules soit en interphase, soit en tout début de prophase. Vous réalisez un western-blot dirigé contre les lamines phosphorylées (Figure 6.8).

_

I

M

Lamines phosphorylées Lamines totales

j

e

Figure 6.8 : Western-blot réalisé sur des fractions nucléaires obtenues de cellules en interphase (I) et en tout début de mitose (M).

Question 6

Analyser le résultat. Que conclure ?

Question 7

Comment allez-vous procéder pour déterminer si la phosphorylation est impliquée dans la rupture de l'enveloppe nucléaire ?

151

Noyau

Les résultats obtenus avec un inhibiteur de l'nases montrent que l'enveloppe nucleaire se maintient en début de mitose. Question 8

Comment interpréter ce résultat ? D'après les résultats précédents, quels pourraient être les cibles ? Comment tester cette hypothèse ?

Puisque (i) les lamines sont phosphorylées en début de mitose et que (ii) l'enveloppe nucléaire se maintient en présence d°un inhibiteur de l'nases, vous vérifiez si votre inhibiteur de l'nases a un effet sur la phosphorylation des lamines. Voici les résultats obtenus (Figure 6.9) 1 I Lamines phosphorylées Lamines totales

U

_ M

-

l+lnh

M+Inh

É

Figure 6.9 : Western-blot obtenu sur des cellules en interphase (1), en mitose M), en absence ou en présence d°un inhibiteur de l'nases (Inh).

Question 9

Analyser ces résultats. Conclure sur l'effet de l'inhibiteur. D'après vos connaissances, quelle kinase est impliquée ici ?

Question 10 D'après les résultats présentés dans cet exercice, donner un mécanisme expliquant la rupture de l'enveloppe nucléaire.

Exercice 3 : Transport nucléaire Des chercheurs viennent d'°identifier une protéine à activité GTPase. Ils désirent déterminer si cette protéine joue uIt rôle dans les échanges entre le noyau et le cytoplasme. Ils disposent de peptides synthétiques (P) contenant ou non une séquence NLS (P-NLS et P, respectivement), des cellules HeLa perméabilisées à la digitonine et du cytosol de cellules HeLa. Dans une première expérience, les auteurs incubent les cellules HeLa perméabilisées : avec le peptide P-NLS, en présence d'°ATP, à 37°C (contrôle) avec le peptide P-NLS, en absence d'°ATP, à 37°C avec le peptide P-NLS, en présence d'°ATP, à 0°C avec le peptide P, en présence d'°ATP, à 37°C avec le peptide P-NLS, en présence d'ATP et de GTPyS, à 37°C

152

L'essentiel de la biologie cellulaire

Après 30 minutes d'incubation, les cellules sont rincées pour éliminer l"exces de protéines non-importées puis lysées afin d'en extraire la fraction nucléaire. Ces extraits sont utilisés en ELISA afin de déterminer la quantité de protéines P importées dans le noyau. Question 1

Rappeler le principe de la technique ELISA.

Voici les résultats obtenus par la technique ELISA (Figure 6.10) :Bui saaμ-:J-du.1! 9eJ!§1w::u-:

100BIJ-

.fg-

.T-'fl' l'l

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I

I

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I

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I

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lx

I

_.›.8 «ZI

l

I

-Q-

l

l

IÎ:

Figure 6. 10 : Résultats de l°ELISA. La condition « contrôle ›› correspond à la condition dans laquelle le P-NLS a été ajouté en présence d'ATP, à 37°C.

Question 2 Que concluez-vous ?

Après avoir validé ce modèle expérimental d'°étude d'import de protéines dans le noyau, les auteurs étudient si leur protéine à activité GTPase participe à cet import nucléaire. Pour ce faire, ils décident de l°inhiber et de détecter la présence de PNLS dans la fraction nucléaire en appliquant les conditions décrites précédemment. Question 3

Citer deux techniques permettant d'inhiber la protéine à activité GTPase dans les conditions expérimentales présentes.

Après inhibition de cette protéine, il n'y a plus d'import nucléaire. Question 4

Que conclure ? D'après vos connaissanœs, de quelle protéine peut-il s'agir ?

Exercices - Noyau - Réponses Réponses de l'exercice 1 Réponse 1

Lorsque les cellules surexpriment une proteine [3-galactosidase native, la protéine est de localisation cytoplasmique puisque la coloration y est retrouvée. Aucune coloration n'est retrouvée dans le noyau. Lorsque la cellule exprime la protéine de fusion l (protéine Z entière + Bgalactosidase), la BY-galactosidase se trouve au niveau de la zone colorée , c°està-dire dans le noyau. Ceci suggère que la protéine Z contient un élément dans sa séquence d'acides aminés indiquant à la cellule que cette protéine doit se trouver dans le compartiment nucléaire. Ann de déterminer la partie de la protéine Z informant de la localisation nucléaire, d'°autres protéines chimères ont été réalisées (protéines 2 à 5). En présence des acides aminés 1 à 4 (protéine 2) ou 5 à 13 Protéine 3) de la protéine Z, la coloration demeure dans le cytosol. La BY-galactosidase nia donc pas été importée dans le noyau. Par contre, en présence des acides aminés 1 à 13 (protéine 4), il y a import de la [3-galactosidase dans le noyau puisque c'est à cet endroit que la coloration est retrouvée. Les acides aminés 14 à 220 de la protéine Z fusionnés à la BY-galactosidase (protéine 5) ne permettent pas d'°obtenir une coloration nucléaire. Réponse 2

Une séquence signal de 13 acides aminés localisée en Nt de la protéine Z permet l°adressage au noyau de cette protéine. Réponses de l'exercice 2 Réponse 1 Cette technique repose sur la densité des constituants cellulaires. Les noyaux, relativement lourds par rapport aux autres organites, peuvent être obtenus après lyse cellulaire et centrifugation à basse vitesse (800 à 1000 g). Après centrifugation, le culot sera enrichi en noyau, le surnageant sera enrichi en fraction cytoplasmique. Un degré de purification supplémentaire peut être obtenu grâce à l'utilisation de gradient de densité (gradient de sucrose par exemple).

L'essentiel de la biologie cellulaire

154

Réponse 2 Le western-blot permet de détecter une protéine particulière grâce à 1°utilisation d'°anticorps spécifiques. Pour ce faire, un lysat protéique est déposé sur un gel de polyacrylamide dénaturant (SDS-PAGE). Après électrophorese, les protéines sont transférées sur une membrane, grâce à un courant électrique. Des anticorps spécifiques d'une protéine d'°intérêt y sont ajoutés et pourront être détectés par 1°utilisation d'°anticorps secondaires couplés à une activité enzymatique. Réponse 3

Les anticorps utilisés seront dirigés contre les lamines, constituants de l°enveloppe nucléaire. Par ailleurs, un anticorps dirigé contre une protéine cytosolique (tubuline, actine, enzyme de la glycolyse) sera utilisé pour vérifier la pureté de la fraction nucléaire. Réponse 4 Le protocole 1 permet d'°obtenir une faction nucléaire Nl dépourvue de tubuline (absence de bande) mais erlrichie en lamines. A l'inverse, la faction cytoplasmique ne contient pas de lamines nucléaires mais de la tubuline. Le protocole 2 montre une fraction nucléaire N2 qui contient des lamines mais aussi du cytoplasme puisque la tubuline y est détectée. De même, la fraction

cytoplasmique C2 contient des lamines. Le protocole l est meilleur que le protocole 2 où les factions nucléaires et cytoplasmiques sont contaminées. Réponse 5

La culture devra être synchronisée afin que toutes les cellules parviennent en mitose de façon simultanée. Ceci est possible grâce à l'ajout de colchicine dans le milieu : les cellules resteront bloquées en mitose. Après changement du milieu de culture, les cellules reprendront l°avancée dans le cycle de façon synchrone. Réponse 6

L'anticorps anti-lamines phosphorylées a été utilisé dans les deux fractions nucléaires isolées de cellules en interphase et en début de mitose. Seuls les noyaux isolées de cellules en début de mitose présentent des lamines phosphorylées. La quantité de lamines totales, phosphorylées et non phosphorylées, est identique entre les deux groupes. Conclusion

.-

La phosphorylation des lamines nucléaires a lieu en tout début de mitose.

Noyau

155

Réponse 7 Il est possible d'°ajouter des inhibiteurs de protéines l'nases pour savoir si les cellules en culture conservent ou non leur enveloppe nucléaire. L'°effet p u n a être observé en microscopie. Une autre stratégie serait d'°ajouter des activateurs de protéines kinases pour voir si l'enveloppe nucléaire se rompt. Réponse 8

L'°absence de rupture de l'enveloppe nucléaire en présence d'un inhibiteur de kinases montre que la phosphorylation est nécessaire à la rupture de l°enveloppe nucléaire. Hypothèse .' Les lamines sont phosphorylées et leur phosphorylation conduit à la rupture de l°enveloppe.

Il est possible de véñfier cette hypothèse en utilisant des anticorps dirigés contre les phospho-lamines en présence de l°inhibiteur de kinases. Réponse 9

L'inhibiteur de kinase n' aucun effet sur l°expression globale des lamines puisque l'intensité de la bande correspondant aux lamines totales est identique dans toutes les conditions. Par contre, en présence d'°inhibiteur, il n' a plus de lamines phosphorylées, même dans les cellules en début de mitose. Conclusion

.0

L'°inhibiteur de protéines kinases empêche la phosphorylation des lamines. En particulier, la kinase impliquée ici est le complexe cycline B - CD Kl activé en début de mitose. Réponse 10

La phosphorylation des lamines par le complexe cycline B rupture de 1"enveloppe nucléaire.

CDKI conduit à la

Réponses de l'exercice 3 Réponse 1 L°ELISA ou « Enzyme-Linked ImmunoSorbent Assay ›› repose sur la détection d'un antigène par un anticorps qui sera révélé par l°activité d'un enzyme. Il existe différents types d"ELISA (indirect, en sandwich ou en compétition). Ici, une technique d'°ELISA sandwich pourrait être utilisée (Figure 6.11). Au fond du puits sont adsorbés des anticorps polyclonaux anti-peptide P (reconnaissent différents épitopes du peptide, anticorps produits généralement chez le lapin). Le lysat est ajouté, puis rincé. Des anticorps anti-P couplés à une activité

156

L'essentiel de la biologie cellulaire

enzymatique (généralement de type peroxydase) sont ajoutés puis rincés pour éliminer les anticorps non axés. L'activité enzymatique sera détectée suite à l°ajout de son substrat qui sera dégradé. Le produit généré aura une certaine densité optique mesurable au spectrophotomètre. ait: :mli P*::|:|r1iugL|1:':H LINE' μm-:1 uzrylia-.izier

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Ii

Figure 6.11 : Technique ELISA de type sandwich. Ac : anticorps, DO : densité optique.

Réponse 2

Avec le peptide P-NLS, en présence d'°ATP et à 37°C, le peptide est importé dans le noyau des cellules. Lorsqu°un de ces paramètres est modifié (absence d'ATP, température de 0°C ou absence de la séquence NLS), le peptide n'est plus détecté dans les extraits nucléaires. Ainsi, l'ATP, une température physiologique et la séquence NLS sont nécessaires à l'import nucléaire. L'°ajout de GTP non hydrolysable GTPyS bloque également l'import nucléaire. Du GTP est donc nécessaire à l"impolt des protéines dans le noyau. Il existe des systèmes cellulaires en mesure de produire du GTP dans ces conditions expérimentales. Réponse 3

La première technique possible est la génération d'°anticorps dirigés contre la protéine donnée afin de la neutraliser. Ceci est possible par l°injection de la protéine humaine chez le lapin afin de produire des anticorps polyclonaux. Il est aussi possible de générer des anticorps monoclonaux dirigés contre cette protéine via la teclmique de fusion cellulaire. L'anticorps obtenu, pourra entrer dans la cellule perméabilisée et inhiber la protéine. Une autre méthode pour inhiber cette proteine est d'°inhiber sa traduction via par exemple la transfection de ces cellules par des siRNA (« smalt interfering RNA ››). Réponse 4 Conclusion ., Comme l'inhibition de cette protéine bloque l°impo1*r nucléaire, alors elle necessaire à ce processus cellulaire. Il pourrait s'agir de la protéine Ran.

Chapitre 7- Trafic des protéines et système endomembranaire Les protéines sont des polymères d'acides aminés. Elles se caractérisent par quatre structures différentes. La structure primaire n'est autre que la séquence en acides aminés. La structure secondaire correspond à l'existence d'arrangements particuliers d'°acides aminés : formation d'hélices a, de feuillets B ou encore de coudes B. La structure tertiaire est le repliement de la chaîne polypeptidique dans les trois dimensions de l°espace. Cette configuration est nécessaire à l'activité des protéines. Erin, certaines protéines possèdent une structure quaternaire qui équivaut à l'association de plusieurs protéines matures. C°est par exemple le cas de Phémoglobine. En outre, ces protéines doivent être adressées dans les compartiments cellulaires où elles pourront avoir leur rôle biologique : soit elles seront traduites par les ribosomes libres, soit elles emprunteront le système endomembranaire.

I. Maturation des protéines 1. Généralités La traduction est le processus par lequel l°ARNm est converti en protéines. Cette étape se réalise dans le cytoplasme, au niveau des ribosomes. La protéine, en cours de synthèse ou une fois synthétisée, doit acquérir une structure tridimensionnelle qui est nécessaire à son activité biologique. Généralement, dans un milieu aqueux, les chaînes latérales des résidus polaires vont se retrouver à l°extérieur de la molécule tandis que les chaînes des résidus apolaires et hydrophobes vont constituer le centre de la molécule. Lorsque les protéines sont nouvellement synthétisées dans le cytoplasme, elles peuvent s°agglomérer en raison d'°une interaction possible des résidus hydrophobes de deux polypeptides. Les protéines chaperonnes permettent d'empêcher Fagrégation des protéines. Les petites protéines de taille inférieure à20 kDa ne nécessitent pas Faction d'une protéine chaperonne pour acquérir leur conformation tertiaire. Par contre, les protéines de taille supérieure ont tendance à acquérir une conformation incorrecte. La prise en charge du polypeptide par les chaperons sera nécessaire à la conformation correcte de la protéine. Dans le cas contraire ou en cas de

158

L'essentiel de la biologie cellulaire

mauvaise conformation, la protéine sera envoyée dans le protéasome pour dégradation. 2. Protéines chaperonnes Les protéines chaperonnes sont des protéines de masse moléculaire variable (généralement compiise entre 10 et 100 kDa). Ces proteines, particulièrement conservées au cours de l"évo1ution, consomment de l'ATP pour permettre le repliement correct de la protéine. Appartenant à cette famille de protéines chaperonnes, les hsp (« beat shock protein ››) sont les plus étudiées. Parmi elles figurent les hsp70 (taille de 70 kDa) et les hsp60. A noter, les mitochondries possèdent leurs propres protéines chaperonnes. 3. Glycosylation Environ 50% des protéines cellulaires sont glycosylées. La glycosylation correspond à l'ajout d°un motif sucré sur la protéine. La glycosylation sur des résidus Ser et Thr, au niveau de leur fonction alcool (ON-glycosylation) se déroule dans l'appareil de Golgi. La N'-glycosylation sur les résidus Asn prend place dans le réticulum endoplasmique. Le transport des protéines dans ces compartiments est abordé dans la partie III. La membrane du réticulum contient une oligosaccharyl transférase (ou oligosaccharide transférase) ajoutant sur le groupement amine de la chaîne latérale un motif sucré. Le motif sucré greffé est composé de 14 sucres : 2 acétylglycosamines, 9 mannoses et 3 glucoses. Initialement, ce motif sucré est axé sur un lipide particulier appelé dolichol. Sous l'action de Foligosacchaiyl transférase, ce motif sera accroché à l"Asn. Ainsi, bon nombre de résidus exposeront des résidus sucrés. Suite au clivage de deux des trois glucoses, les motifs sucrés seront reconnus par des protéines de type lectines. Les lectines du réticulum, qui jouent aussi un rôle de protéines chaperonnes, sont impliquées dans la maturation des protéines. Il existe deux protéines de ce type : la calnexine et la calréticuline. Comme leurs noms l"indíquent, ces protéines sont activées en présence de calcium, dont la concentration est élevée dans l°organite. Après reconnaissance de la protéine par une de ces lectines, une glucosidase coupe le dernier glucose du motif Deux choix se présentent alors : (i) soit la protéine est correctement conformée et peut éventuellement suivre le trafic vésiculaire, (ii) soit elle est toujours mal conformée. Dans ce cas, une glycosyl transférase rajoute un nouveau glucose sur le motif sucré pour que la calnexine ou la calréticuline reprennent en charge la protéine afin de l°aider à adopter une conformation correcte. En cas de nouvel échec, la protéine sera exportée du réticulum, en passant par un translocon. Une glycanase enlèvera le motif oligosaccharidique, la protéine sera polyubiquitinylée et envoyée au protéasome pour dégradation.

Trafic des protéines et système endomembranaire

159

II. Adressage des protéines 1. Généralités Toutes les protéines sont synthétisées dans le cytoplasme. Par contre, elles vont ensuite exercer leurs fonctions biologiques dans les différents compartiments de la cellule. Les compartiments de la cellule eucaryote sont nombreux. Citons par exemple : le noyau, les mitochondries, le réticulum, le golgi, les peroxysomes, les lysosomes, la membrane cellulaire. Ainsi, des systèmes d'adressage sont nécessaires afin d'°envoyer la protéine néosynthétisée dans le bon compartiment.

2. Séquences d'adressage Le premier élément nécessaire à Fadressage d'une protéine est la présence d'une étiquette indiquant sa destination. Il s'agit de la séquence signal. Dans la majorité des cas, la séquence signal correspond à un petit nombre d'acides amines (entre 10 et 60 résidus) localisés à l'extrémité NH2-terminale de la protéine. Dans certains cas, il arrive que, grâce au repliement de la protéine ayant acquis sa structure tertiaire, des groupes d'acides aminés initialement éloignés se rapprochent pour former une séquence d'adressage. Les séquences d'°adressage sont caractéristiques du compartiment ciblé. Par exemple, la séquence de localisation nucléaire comprend des acides aminés basiques dont la séquence est KKKRK. La séquence d'adressage mitochondrial est riche en acides aminés hydrophobes et en acides aminés chargés qui s'organiseront en une hélice a amphiphile. Ces séquences seront ensuite reconnues par des récepteurs de tri qui adresseront alors les protéines vers les bons compartiments. Les protéines cytosoliques ne contiennent pas de séquence d'°adressage.

III. Transport des protéines Les protéines à destination du cytosol, du noyau, des peroxysomes, des mitochondries ou les protéines périphériques cytosoliques de la membrane plasmique sont synthétisées par des ribosomes libres, les autres sont synthétisées au niveau du réticulum endoplasmique rugueux. Quelles que soient les destinations (hormis le cytosol) , la protéine possède une séquence d'°adressage à son compartiment. Trois types de transport sont possibles. Le premier est UI1 transport « direct ›› passant par des pores spécifiques : c°est le cas du transport nucléaire. Le deuxième mode de transport est le passage de la protéine à travers une membrane lipidique, via l'aide d'une protéine translocase. Il s'agit par exemple de l°importation des protéines dans le réticulum endoplasmique ou la mitochondrie.

160

L'essentiel de la biologie cellulaire

Enfin, le troisième mode de transport est le transport vésiculaire où les protéines sont rassemblées dans une vésicule d°un compartiment donneur qui fusionnera avec un compartiment accepteur. C°est par exemple le cas du transport de certaines protéines entre le réticulum et l'appareil de Golgi. 1. Transport nucléaire Il semblerait que la séquence signal d'°une protéine à destination nucleaire puisse se trouver à n'importe quel endroit de la proteine. Le transport nucléaire a été traité dans le chapitre 6- Noyau. 2. Transport peroxysomal Les protéines à destination du peroxysome ont deux types de séquence « signal ciblant le peroxysome ›› : soit une séquence PTS pour les protéines de la matrice peroxysomale, soit une séquence mPTS pour les protéines de la membrane peroxysomale. Ces séquences sont reconnues par des récepteurs et les protéines synthétisées dans le cytosol gagnent alors leur compartiment peroxysomal. 3. Transport mitochondrial Après avoir été synthétisées dans le cytoplasme par des ribosomes libres, les protéines mitochondriales sont prises en charge par des hsp cytosoliques (notamment hsp70), empêchant ainsi que les protéines ne s°agrègent (Figure 7.1). Ces protéines n°acquerront leur conformation tridimensionnelle que dans la mitochondrie. La séquence signal précurseur des protéines mitochondriales est reconnue par un complexe moléculaire se trouvant sur la membrane externe mitochondriale I le complexe TOM (« translocase of the outer membrane ››). Ce complexe TOM peut interagir avec un autre complexe moléculaire nommé TIM ( la protéine étudiée, traduite in vitro en présence de 35$-Met afin de la détecter par autoradiographie Réponse 4

Après ubiquitinylation in vitro, une certaine quantité de la protéine sauvage est polyubiquitinylée, augmentant ainsi la masse de la protéine. Le reste correspond à la fraction d°I1¢B non modifiée. Le remplacement des lysines par l'arginine en positions 38, 47 ou 38/47 ne modifie pas la quantité de protéines ubiquitinylées. Ces résidus ne sont pas ubiquinylés. Lorsque la lysine en position 21 ou celle en position 22 est mutée, alors la quantité de protéines non modifiées reste la même mais la taille des protéines ubiquitinylées est plus faible que dans les conditions « contrôle ››. Cela signifie qu'une moins grande quantité d'°ubiquitine a été fixée sur la protéine. Erin, lorsque les deux lysines en position 21 et 22 sont remplacées par de l'arginine, il n'y a plus de protéines ubiquitinylées, ainsi la quantité de protéines non modifiées augmente. Conclusion

.-

Les résidus lysines 21 et 22, contrairement aux résidus 38 et 47, sont reconnus par les enzymes d"ubiquitinylation et sont polyubiquitinylés.

Trafic des protéines et système endomembranaire

Réponse 5

201

(O I I

Membrane plasmique

I ' -

I I I I

vI IKB

š

Translocation nucléaire Dégradation par le protéasome

Enveloppe nucléaire

o

Y

go

(

O

TNF-a Récepteur au TNF-a Polyubiquitinylation sur les lysines 21 et 22

IKB NFKB

Transcription de gènes cibles

Figure 7.11 : Schéma simplifié de Pactivation de NFKB par dégradation de son inhibiteur I1cB.

Chapitre 8- Récepteurs et signalisation cellulaire Les cellules doivent en permanence intégrer les informations de leur environnement pour adapter au mieux leur fonctionnement. Pour ce faire, dans un premier temps, des signaux doivent être reconnus spécifiquement. Ensuite, cette information extracellulaire doit être convertie en un langage compréhensible pour la cellule. Une fois le message assimilé, des acteurs intracellulaires verront leur activité modifiée afin de produire le changement fonctionnel. Cette transduction du signal nécessite des récepteurs spécifiques, des seconds messagers et des effecteurs cellulaires.

I. Généralités Il existe différents modes de communication cellulaire : • le mode autocrine : une cellule A synthétise une molécule d'information qui aura un effet sur cette même cellule A le mode paracrine : une cellule A synthétise une molécule d'°information qui agira sur les cellules se trouvant dans l'environnement immédiat le mode endocrine : une cellule A synthétise une molécule d'information qui sera libérée et véhiculée dans le sang pour atteindre un autre groupe de cellules distantes de la cellule A le mode synaptique : la cellule A libère une information dans une fente synaptique pour avertir la cellule B qui se trouve de l°autre côté de la synapse

Dans chaque cas, la molécule informative doit être reconnue par des protéines spécifiques : les récepteurs. Ces récepteurs sont soit membranaires, soit nucléaires. Suite à la taxation de leurs ligands, les récepteurs subissent un changement de conformation. Pour les récepteurs nucléaires, celui-ci induit, en règle générale, la translocation du récepteur nucléaire depuis le cytosol vers le noyau. Pour les récepteurs membranaires, la taxation du ligand conduit soit au recrutement d'°effecteurs cellulaires primaires qui seront à l°origine de la

204

L'essentiel de la biologie cellulaire

production de seconds messagers cytodiffusibles, soit au recrutement d'°autres proteines, généralement à activité enzymatique de type kinase, produisant une cascade d'°activation/inactivation de nombreuses protéines de signalisation. Ces systèmes permettent de traduire le message extracellulaire en un langage intégré par la cellule dont le fonctionnement sera modifié. Cette conversion de l°information porte le nom de transduction du signal. Un schéma simplifié de la transduction du signal est représenté augure 8.1. Récepteur Effecteur Second Effecteur › membranaire primaire messager secondaire 1

!

'u

C

Cu

en

›

Récepteur membranaire

_]

›

Récepteur nucléaire

G..

Protéines adaptatriœs

Cascade de signalisation -----------.-.-.--->

Translocation nucléaire I

I

_

I v Protéines cibles I

I

v I

r

Gènes cibles

G..

Réponse cellulaire

* I

I

Figure 8.1 : Vue simplifiée des étapes de la transduction d'un signal.

II. Ligands Les ligands sont des molécules se axant sur des récepteurs spécifiques. La nature chimique des ligands est variable : gaz, acides aminés et dérivés, polypeptides, protéines, stéroïdes. Certains acides aminés et dérivés (dopamine ou noradrénaline par exemple) servent à la transmission nerveuse au niveau des synapses ou peuvent jouer le rôle d'hormones (adrénaline par exemple) en étant libérés dans le aux sanguin par des cellules endocrines. Les ligands de nature protéique sont souvent hydrophiles, de taille variable et reconnus par des récepteurs se trouvant à la surface membranaire. Citons par exemple l'insuline ou certains facteurs de croissance. Erin, il existe des ligands hydrophobes, de faible taille (stéroïdes comme les œstrogènes) qui peuvent se axer sur des récepteurs spécifiques de localisation intracellulaire. Plus la constante de dissociation (Ka) du couple ligand-récepteur est élevée, plus l°affinité est faible, et inversement. Les ligands qui conduisent à l'activation du récepteur sont appelés agonistes. Les ligands bloquant les effets des agonistes constituent les antagonistes.

III. Récepteurs cellulaires Il existe plusieurs types de récepteurs exprimés à la surface cellulaire et dans le cytoplasme.

Récepteurs et signalisation cellulaire

205

1. Récepteurs canaux Un premier type de récepteurs est le récepteur canal. Aptes fixation d°un ligand spécifique, les récepteurs canaux s'ouvrent et autorisent le passage d'°ions spécifiques. Ce type de canal se retrouve notamment au niveau des synapses. Il s'agit, par exemple, des récepteurs nicotiniques à l°acétylcholine, des récepteurs NMDA au glutamate ou encore des récepteurs GABAA axant l'acide y-aminoisobutyrique (GABA). Ces récepteurs sont dits récepteurs ionotropiques , ils sont dépourvus d'activité enzymatique. 2. Récepteurs couplés aux protéines G Ces récepteurs sont des protéines à sept domaines transmembranaires organisés en hélices a, Du côté intracellulaire, le récepteur interagit avec une grande protéine G. Cette dernière est formée de trois sous-unités (a, B et y), La sousunité a porte l'activité GTPase permettant d'hydrolyser le GTP en GDP + Pi. Ces unités a sont soit stimulatrices (as ou aq), soit inhibitrices (at). Le mécanisme de transduction du signal des récepteurs couplés aux protéines G (RCPG) est le suivant : après fixation du ligand sur son récepteur, un changement de conformation du récepteur s'opère et conduit au recrutement des protéines G. Ces dernières s'activent et stimulent un effecteur primaire qui génèrera un second messager. Ce dernier activera un effecteur secondaire ou produira un effet biologique. Exemples : parmi les effecteurs potentiels de Gas augure l'adénylate cyclase qui produira de l°AMP cyclique à partir dATP. L'°AMPc produit activera alors la protéine kinase A, un effecteur secondaire. A noter : les sous-unités Gas sont inhibées par des toxines bactériennes de type toxine cholérique et toxine pertussique. A l'inverse, lorsque le récepteur est couplé à une protéine Gai, il y aura inhibition de l"adénylate cyclase. Lorsque la protéine G est de type au, la taxation du ligand sur le récepteur peut conduire à 1°activation de la phospholipase C [3 qui hydrolyse le PiP2 en inositol 1,4,5-triphosphate (IPL) et diacyglycérol (DAG). Certains récepteurs muscariniques à l'acétylcholine ou encore les récepteurs [3-adrénergiques sont des récepteurs couplés aux protéines G activatrices et sont aussi appelés récepteurs métabotropiques. Pour éviter l°emballement de la réponse cellulaire, il existe des mécanismes de désensibilisation des récepteurs qui consistent, dans un premier temps, à phosphoryler le GPCR par une l'nase spécifique (« G protein-coupled receper kinase ››). Cette phosphorylation permet le recrutement d"arrestines qui entrent en compétition avec la grande protéine G, bloquant ainsi la suractivation d'une voie de signalisation. En outre, la taxation des arrestines permet de favoriser la formation de vésicules d'endocytose recouvertes de clathrine. Comme décrit dans le chapitre précédent, ces vésicules iront dans les endosomes pour y être soit recyclées, soit dégradées. Dans le cadre de la signalisation et suivant le récepteur

206

L'essentiel de la biologie cellulaire

endocyté, cela peut aussi induire Pactivation de voies de signalisation intracellulaires. 3. Récepteurs à activité tyrosine kinase Les récepteurs à activité tyrosine kinase (RTK) sont dotés d'une activité enzymatique du côte cytoplasmique. La fixation d'un ligand sur ce type de récepteurs provoque souvent la dimérisation de ce récepteur avec un second récepteur ayant aussi axé le ligand. Cette proximité nouvelle entre les deux récepteurs permet leur phosphorylation mutuelle (autophosphorylation) sur des résidus tyrosine. Ces derniers sont alors reconnus par des protéines adaptatrices ou effectrices qui pourront activer une cascade de signalisation intracellulaire, notamment la voie Ras-MAP (« mitogen-activated protein ››) l'nase. Les protéines Ras sont des petites protéines G monomériques localisées à la

membrane. Elles sont actives une fois associées au GTP, ou inactives avec le GDP. De façon simplifiée, l'activation d'un RTK permet 1°activation de Ras (taxation du GTP) qui, à son tour, activera une serine-thréonine kinase appelée Raf. Celle-ci phosphorylera la protéine kinase MEK qui phosphorylera les protéines ERK. Ces kinases pourront notamment réguler l'activité de facteurs de transcription. Comme pour les RCPG, l'inactivation de ces récepteurs peut se faire par endocytose. L'°exemple caractéristique de ce type de récepteur est le récepteur à l"EGF ( EGFR sauvage

@

EGF)(.EGF

> Dimérisation

Récepteurs activés phosphorylés

Q : tyrosine phosphorylée EGF

Membrane plasmique

>

>

Pas d'autophosphorylation

du récepteur

EGFR muté dans son domaine à activité tyrosine kinase

C) Membrane plasmique

EGFR sans le domaine de liaison à l'EGF

>

Pas d'interaction EGF/EGFR Pas d'activation du récepteur Pas d'activation du domaine kinase

Figure 8. 10 : Schéma montrant (A) les deux étapes de l'activation du récepteur à l"EGF (dimérisation et autophosphorylation) et l'absence d'°activation des récepteurs mutés dans leurs domaines à activité tyrosine kinase (B) ou de liaison au ligand (C).

230

L'essentiel de la biologie cellulaire

Réponses de l'exercice 3 Réponse 1

Étant donnée la nature chimique des corticoïdes, vous suspectez une internalisation de ce composé. Dès lors, vous allez procéder à un fractionnement cellulaire par la technique des centrifugations différentielles. Une fois les factions cytosolique et nucléaire obtenues, vous allez mesurer la radioactivité de chacune des fractions pour déterminer où se trouve la dexaméthasone. Réponse 2 Hypothèse I : les glucocorticoïdes diffusent librement à travers la membrane plasmique et du cytosol jusqu'au noyau : peu probable étant donnée la nature hydrophobe du composé. Hypothèse 2 : des récepteurs membranaires prennent en charge les stéroïdes puis sont intemalisés et vont jusqu'au noyau. Hypothèse 8' J des protéines cytoplasmiques prennent en charge le stéroïde depuis le cytosol jusqu°au noyau. Réponse 3

Il est possible d°ajouter de la dexaméthasone non marquée (roide) pour vérifier que la radioactivité mesurée diminue, signe d'°une compétition entre les deux formes de dexaméthasone pour la liaison à leur récepteur. Réponse 4 Analyse des résultats sur les cytosols obtenus de cellules intactes traitées .' Le cytosol obtenu de cellules incubées avec de la dexaméthasone pendant 15 minutes sert de référence. La radioactivité est maximale et vaut l 00%. Lorsque ces cellules, en plus, ont été traitées par le composé mercure A (perméable), la radioactivité dans le cytosol est fortement réduite. Lorsque les cellules sont en contact avec le composé B (ne traverse pas la membrane plasmique), la radioactivité mesurée est identique aux conditions « contrôle ››. Conclusion .Il semble que la liaison entre la dexarnéthasone et son récepteur ait lieu dans le compartiment cytosolique. Analyse des résultats sur les cytosols traités in vitro :

Le cytosol incubé en présence de dexaméthasone radioactive est capable de lier cette dernière puisque de la radioactivité est mesurée. Cette valeur sert de référence et vaut 100%. Lorsque le cytosol est mis en contact avec les inhibiteurs A ou B, la radioactivité est fortement réduite. Conclusion

.-

Les récepteurs du cytoplasme ne sont plus capables de lier leur ligand en présence

des composés dérivés du mercure.

Récepteurs et signalisation cellulaire

231

Conclusion générale :

La liaison des glucocorticoïdes avec leurs récepteurs s'effectue dans le cytoplasme et non à la surface membranaire.

Réponse 5

Le récepteur à la dexaméthasone est activé par la taxation de ce glucocorticoïde. Après activation, le récepteur transloque dans le noyau où il agit comme 1111 facteur de transcription activateur. Réponse 6 La condition 1›

Connexines

Intégrines/ Filaments intermédiaires

Hémidesmosome

Interaction cellule-matrice

Cadhérines/Actine

Cadhérines/

Desmosome

Q.

I-

Occludines Claudines Molécules impliquées

Interaction cellule-cellule

/ >lI

Cellules . épithéliales

..¿Il...:L

--.

'μ

r

Matrice extracellulaire

llllllllll

Figure 9.1 : Jonctions cellulaires et protéines impliquées.

2. Molécules d'adhérence a. Intégrines

Les intégrines sont des glycoprotéines transmembranaires dont le rôle est de participer à l'interaction de la cellule avec sa matrice (Figure 9.l) et à la transduction des signaux extracellulaires. Ce sont des hétérodimères constitués d'une chaîne a et d'une chaîne B. Il existe 18 chaînes a et 8 chaînes [3 différentes , 24 intégrines différentes ont été identifiées. Le motif RGD (retrouvé notamment sur la fibronectine) ou d'°autres éléments comme le collagène ou la laminine peuvent être reconnus par des intégñnes. Lorsque les intégrines sont inactives, elles présentent une courbure du côté extracellulaire. La taxation de la aline, elle-même en lien avec l'actine, sur l°extrémité intracellulaire de la chaîne B provoque la dissociation des chaînes a et B. Cette étape intracellulaire aura pour répercussion au niveau extracellulaire un changement de conformation et permettra alors aux intégrines de axer leur ligand. Une fois le ligand axé (un élément de la MEC 1 collagène, laminine ou fibronectine par exemple), un nouveau changement conformationnel des domaines cytoplasmiques s°opère. Ceci conduit au recrutement de certaines protéines de signalisation intracellulaire comme des protéines kinases, parmi lesquelles la protéine FAK («focal adhesion kinase ››). Les cascades de

238

L'essentiel de la biologie cellulaire

signalisation activées suite à 1°interaction MEC-intégñnes conduiront, par exemple, à la survie, à la prolifération ou à la motilité cellulaire. Cette interaction MEC-intégrines confère à la cellule une forte adhérence avec la MEC. Il y a formation de points focaux (ou adhérences focales). En culture, les cellules n'adhèrent pas de façon uniforme au support mais plutôt au niveau de ces points focaux, structures dynamiques riches en intégrines et en protéines adaptatrices (tajine, actinine par exemple) qui connectent le cytosquelette (et en particulier l'actine), pouvant se faire et se défaire rapidement. Cela participe notamment à la motilité cellulaire. Ces points d'adhérence forment, in vivo, les hémidesmosomes, retrouvés dans les épithélia. Ils correspondent à l'association d'°intégrines, de protéines adaptatrices (plectre) et de filaments intermédiaires (kératine) Dans certains cas, en présence de calcium, les intégrines peuvent aussi réaliser des liaisons cellule-cellule. b. Cadhérines

Les cadhérines sont des glycoprotéines membranaires qui, pour être actives, requièrent du calcium dans le milieu extracellulaire. Le calcium rigidifie ces molécules et autorise l'interaction cadhérine-cadhérine de deux cellules adjacentes. Au contraire, le retrait du calcium provoque un changement conformationnel de la partie Nt extracellulaire et favorise le détachement des cellules. Les domaines intracellulaires des cadhérines interagissent avec le cytosquelette (Figure 9.l). Ce lien est indirect et nécessite des protéines d'°ancrage. Le lien entre cadhérines et filaments d'°actine au niveau des jonctions adhérentes est assuré par les BY-caténines. Du côté extracellulaire, en général, sont retrouvés cinq domaines composés de répétitions en tandem d'environ 110 acides aminés : ce sont les domaines Matrice des tissus conjonctifs Composition de la matrice extracellulaire : > Glycosaminoglycanes : polymères de disaccharides > Protéoglycanes : protéines associées à des polysaccharides > Laminines : hétérotrimères a, B et y > Fibronectine : 2 chaînes polypeptidiques associées par ponts disulfures > Collagènes de type I à III : homopolymères de trois chaînes (1 > Collagène de type IV : hetéropolymère de chaînes et, B et y > Élastine : protéine non glycosylée avec motifs hydrophobes Plasticité de la MEC : action des métalloprotéases de type MMP Jonctions cellulaires : > Jonctions d'ancrage : O jonction adhérente : connectée aux microfilaments d'actine O desmosome : connecté aux filaments intermédiaires o hémidesmosome : interaction cellule-matrice > Jonctions serrées : o au niveau du pôle apical des cellules épithéliales > Jonctions communicantes : O formées de deux connectons Molécules d'adhérence 1 > Intégrines : o interaction avec les molécules de la MEC, le plus souvent O peuvent former des hémidesmosomes o participent à la formation de points focaux d'°adhérence cellulaire > Cadhélines : o formation de jonctions adhérentes et de desmosomes > Sélectines : O interaction cellule-cellule par reconnaissance de protéines ou lipides glycosylés > Molécules de la super famille des immunoglobulines : O interaction cellule-cellule

QCM - Matrice extracellulaire et jonctions cellulaires 1. Matrice extracellulaire

A. La composition d'une matrice extracellulaire est caractéristique d'un tissu donné.

B. La matrice extraœllulaire peut servir de réservoir de facteurs de croissance. E. La matrice extracellulaire correspond à l'ensemble des cellules qui se trouvent dans l'environnement d'une cellule donnée.

D. La matrice extracellulaire module l'activité cellulaire. E. La matrice extraœllulaire est obtenue par passage des éléments du plasma sanguin vers l'environnement extracellulaire.

2. Membrane basale

A. La matrice extracellulaire des épithélia est appelée membrane basale ou lamina.

8. La lamina permet de séparer un tissu épithélial des tissus sous-jacents. G. La matrice extracellulaire des épithélia est aussi épaisse que celle des tissus conjonctifs.

D. L'épaisseur de la membrane basale est d'environ 100 nm. E. La membrane basale ne contient aucune protéine. Cette caractéristique la distingue de la matrice extracellulaire du tissu conjonctif.

3. Tissu conjonctif

A. Les fibroblastes participent à la production de la matrix extracellulaire des tissus conjonctifs.

B. La matrice extracellulaire des tissus conjonctifs est toujours très riche en calcium.

C. Contrairement à la membrane basale, la matrice extracellulaire du tissu

conjonctif ne permet pas d'envoyer des informations de l'environnement à la cellule. D. La matrice extracellulaire du tissu conjonctif est généralement dépourvue de collagène. E. Le derme est un tissu conjonctif dont la matrice extracellulaire est synthétisée par les cellules de l'épiderme.

242

L'essentiel de la biologie cellulaire

4. Constituants de la MEC

A. La matrice extracellulaire est riche en protéines, glucides et lipides. B. Les glucides abondamment retrouvés dans la matrice extracellulaire sont des oses simples.

B. Les protéines de la matrice extracellulaire ne sont pas glycosylées. D. Comme pour les protéines cellulaires, les protéines de la matrice extracellulaire sont de structure fibreuse.

E. Collagène, lambine et fibronectine sont des proteines souvent retrouvées dans la matrice extracellulaire.

5. Glycosaminoglycanes (I)

A. Les glycosaminoglycanes sont des constituants importants des matrices extracellulaires.

B. Les glycosaminoglycanes correspondent à une répétition de disaccharides particuliers.

B. Les glycosaminoglycanes forment des chaînes oligosaccharidiques ramifiees. D. Les glycosaminoglycanes peuvent s'associer à des protéines par des liaisons de faible énergie pour former les protéoglycanes.

E. Les glycosaminoglycanes, de par les charges apportées par des groupements sulfatés, sont particulièrement hydrophiles.

6. Glycosaminoglycanes (II)

A. Les glycosaminoglycanes sont toujours sulfatés. B. Les glycosaminoglycanes sont chargés négativement.

:::. L'héparine est un glycosaminoglycane.

D. Les différents glycosaminoglycanes ont une masse moléculaire relativement proche.

E. Les sucres des glycosaminoglycanes portent une fonction amine. 7. Protéoglycanes (I)

A. Dans un protéoglycane, le squelette central est formé par un polysaccharide

linéaire le long duquel viennent se greffer plusieurs chaînes polypeptidiques.

B. Les protéoglycanes, étant donnée leur grande taille, sont des molécules particulièrement hydrophobes.

C. Les protéoglycanes favorisent la formation d'un gel contenant eau et cations. D. Les protéoglycanes assurent un rôle de soutien face aux forces mécaniques. E. Les protéoglycanes ne se retrouvent qu'au niveau des matrices extracellulaires des tissus conjonctifs.

Matrice extracellulaire et jonctions cellulaires

243

8. Protéoglycanes (II)

A. Les glycosaminoglycanes peuvent se fixer par liaison covalente à une protéine B. B. D. E.

centrale. Les protéoglycanes peuvent occuper une place importante dans la matrice. Des kératanes sulfates peuvent être retrouvés dans des protéoglycanes. Les protéoglycanes sont chargés positivement. Des facteurs de croissance lient les protéoglycanes de la matrice.

9. Lami nifes

A. Les laminines se retrouvent au niveau de l'enveloppe nucléaire. B. Les laminines sont des glycoprotéines formées de trois chaînes cx reliées entre elles par des ponts disulfures.

B. Les laminines interagissent avec la cellule par le biais des intégrines. D. Les laminines interagissent aussi avec certains protéoglycanes. E. Les laminines participent à la flexibilité des membranes basales. 10. Élastine

Tl.. Comme toutes les protéines de la matrice extracellulaire, l'élastine est une protéine glyoosylée.

B. L'élastine est une protéine particulièrement hydrophile.

c.

L'élastine est une protéine réticulée conférant la propriété élastique aux tissus.

D. Des domaines riches en sérine, thréonine et tyrosine confèrent les propriétés élastiques à l'élastine.

E. Les artères sont dépourvues d'élastine. 11. Collagènes (I)

A. B. C. D. E.

II n'existe qu'une seule isoforme de collagène. Le collagène est une protéine fibreuse. Le collagène est la protéine la plus abondante des mammifères. Les collagènes sont tous des hétérotrimères formés de chaînes a, B et y. Le collagène de type IV est retrouvé dans la matrice extracellulaire des tissus conjonctifs.

244

L'essentiel de la biologie cellulaire

12. Collagènes (II)

A. B. G. D. E.

Le collagène de type I est retrouvé dans la peau et les os. Le collagène permet de résister aux forces de tension. Des liaisons disulfures stabilisent la triple hélice de collagène. Le collagène est une protéine hydrosoluble. L'association de tropocollagène forme la fibrille de collagène.

13. Fibronectine (I)

Tl.. La fibronectine est un hétérotrimère. B. La fibronectine participe à la formation du réseau matriciel en interagissant avec le collagène et les protéoglycanes.

C-. La fibronectine possède des domaines de fixation aux immunoglobulines. D. La fibronectine joue un rôle dans l'adhérence des cellules mais pas dans la migration cellulaire.

E. La fibronectine peut relier une cellule et les composants de la matrice extracellulaire.

14. Fibronectine (II)

A. La fibronectine est une glycoprotéine. B. La fibronectine possède des domaines de liaison à la fibrine.

c.

La fibronectine possède des domaines de liaison à l'héparine.

D. Une séquence RGD est impliquée dans l'interaction de la fibronectine avec le collagène.

E. La fibronectine joue un rôle dans la prolifération, la différenciation et la migration cellulaire.

15. Plasticité de la matrice extracellulaire JE..

B. EZ. EI. E.

La composition des matrices extracellulaires change au cours du développement embryonnaire. La matrice extracellulaire est extrêmement rigide. Dans l'espace extracellulaire, des enzymes sont capables de dégrader le collagène. Les collagénases appartiennent à la famille des métallo-protéases. L'activité des metallo-protéases de la matrice est dépendante du zinc.

Matrice extracellulaire et jonctions cellulaires

245

16. Jonctions cellulaires

A. Toutes les jonctions font intervenir une molécule d'adhésion et un composant de la matrice extracellulaire.

B. Toutes les jonctions œllulaires sont dépendantes de la présence de calcium dans le milieu extracellulaire.

C. Les jonctions cellulaires participent à la différenciation cellulaire et à la formation des tissus.

D. Les jonctions cellulaires sont imperméables. E. Les jonctions cellulaires peuvent former une sorte de teinture autour de la cellule.

17. Jonctions d'ancrage (I)

A. La formation des jonctions d'ancrage est indépendante du calcium. B. Les jonctions d'ancrage permettent d'établir un lien entre le cytosquelette et le milieu extracellulaire.

B. Les jonctions d'ancrage sont exclusivement retrouvées au niveau des œllules épithéliales.

D. Les jonctions d'ancrage participent à la formation du système nerveux au cours de Vembryogénèse.

E. Les jonctions d'ancrage peuvent être maculaires ou zonulaires. 18. Jonctions d'ancrage (II)

A. La famille des jonctions d'ancrage comprend les jonctions adhérentes, les desmosomes et les hémidesmosomes.

B. Les desmosomes permettent une interaction entre la cellule et la matrice extracellulaire.

C. Les desmosomes sont reliés avec les filaments d'actine du cytosquelette. D. Les immunoglobulines sont les molécules d'adhérence cellulaire prépondérantes dans les desmosomes.

E. Les hémidesmosomes relient la cellule à sa matrice extracellulaire. 19. Jonctions d'ancrage (III)

A. Le pôle apical des cellules épithéliales est riche en hémidesmosomes. B. Les hémidesmosomes sont des jonctions entre cellules épithéliales et membrane basale.

C. Les intégrines sont impliquées dans la formation des hémidesmosomes. D. Les éléments du cytosquelette en lien avec les hémidesmosomes sont des microfilaments d'actine.

E. La plectine est une protéine faisant le lien entre intégrines et éléments du cytosquelette.

246

L'essentiel de la biologie cellulaire

20. Jonctions d'ancrage (IV)

A. Les caténines sont retrouvées au niveau des desmosomes. B. Les caténines sont retrouvées au niveau des jonctions adhérentes. G. Les cadhérines sont réparties de façon uniforme sur les membranes des cellules épithéliales.

D. La desmogléine appartient à la famille des cadhérines. E. La desmocolline appartient à la famille des intégrines. 21. Jonctions serrées

A. Les jonctions serrées permettent de faire communiquer le cytoplasme de deux cellules voisines.

B. Les jonctions serrées sont retrouvées au niveau des tissus épithéliaux. El. Les jonctions serrées se trouvent au niveau du pôle basal des cellules. D. Les jonctions serrées sont comme des canaux qui peuvent s'ouvrir pour laisser passer des solutés du pôle apical vers le pôle basal.

E. Les jonctions serrées obligent certains nutriments à emprunter la voie transcellulaire.

22. Jonctions communicantes (I)

A. Les jonctions communicantes forment des canaux laissant passer de petites molécules hydrophobes.

B. Le canal formé par la jonction communicante est assuré par la fusion des membranes plasmiques de deux cellules adjacentes.

B. Les jonctions communicantes sont formées par l'assemblage de deux hémicanaux, chacun se trouvant sur la membrane plasmique de deux cellules adjacentes. D. Les connexines participent à la formation des jonctions communicantes. E. Les connexines sont formées d'hexamères de connectons.

23. Jonctions communicantes (II)

A. Les jonctions communicantes permettent d'échanger des éléments du cytoplasme avec la matrice extracellulaire.

B. Les jonctions communicantes sont aussi appelées jonctions « gap ››. C. Les jonctions communicantes laissent passer des ions de façon sélective. D. Les jonctions communicantes sont essentielles à la diffusion de l'influx électrique au niveau du tissu cardiaque.

E. Outre leur rôle dans la propagation d'un message électrique, les jonctions

communicantes, en permettant le passage d'ATP ou de coenzymes, participent aussi au couplage métabolique entre cellules d'un même tissu.

Matrice extracellulaire et jonctions cellulaires

247

24. lntégrines (I)

A. Les intégrines participent à la formation des liaisons d'ancrage. B. Les intégrines sont des protéines glycosylées. G. Les intégrines reconnaissent préférentiellement d'autres intégrines se trouvant sur la membrane de la cellule adjacente.

D. Les intégrines s'organisent en hétérodimères composés d'une chaîne a et d'une chaîne B.

E. Les intégrines sont des protéines transmembranaires dont l'extrémité Ct se trouve du côté extracellulaire.

25. lntégrines (II)

A. Les intégrines sont capables de reconnaître la séquence tripeptidique RGD sur certains constituants de la matrice extracellulaire.

B. Les intégrines interagissent directement du côté cytoplasmique avec les microfilaments.

B. Fibronectine, collagène ou lambine sont des substrats reconnus par les intégrines.

D. Les intégrines participent à la formation d'hémidesmosomes, jonctions d'ancrage entre deux cellules.

E. Les intégrines ne sont exprimées qu'au niveau des cellules de la peau. 26. lntégrines (Ill)

A. L'interaction entre les intégrines et la matrice extracellulaire est dite homophilique.

8. L'EGTA, un chélateur calcique, favorise la formation des jonctions d'ancrage formées par les intégrines.

C. Les intégrines peuvent, dans certains cas, réaliser des interactions cellulecellule.

D. Les intégrines peuvent s'associer avec les immunoglobulines. E. Les intégrines, grâce à l'activation de certaines kinases après fixation de leur ligand, participent à l'expression de gènes impliqués dans la suivie, la différenciation ou la prolifération cellulaire.

27. lntégrines (IV)

A. Les intégrines reconnaissent un grand nombre de molécules. B. II existe six intégrines différentes. E. L'extrémité cytoplasmique des intégrines comporte, en général, 300 à 500 acides aminés.

D. La aline inhibe les intégrines. E. Les intégrines participent à l'agrégation plaquettaire.

248

L'essentiel de la biologie cellulaire

28. Intégrines (V)

A. B. G. D. E.

Des clusters d'intégrines participent à la mise en place des adhérences focales. Les points focaux d'adhérence cellulaire sont des structures statiques. Les intégrines des points focaux ne sont pas associées au cytosquelette. Les points focaux sont impliqués dans la motilité cellulaire. Les points focaux permettent à la cellule de détecter les forces mécaniques qui s'exercent sur elle.

29. Cadhérines (I)

A. Les cadhérines participent à l'interaction entre la matrice extracellulaire et la cellule.

B. Les cadhérines sont des molécules d'adhérenœ cellulaire qui réalisent des liaisons homophiliques.

C. Les cadhérines sont des protéines glyquées. D. Comme pour les intégrines, le calcium favorise les interactions entre cadhérines.

E. La présence de calcium dans le milieu extracellulaire induit un changement conformationnel de Fextrémité Ci extracellulaire des cadhérines.

30. Cadhérines (II)

A. Les cadhérines classiques sont les E, P et N cadhérines. B. Les caténines sont des protéines adaptatrices qui permettent de relier cadhérines et cytosquelette.

B. Les cadhérines forment soit des jonctions adhérentes, soit des desmosomes. D. Les cadhérines se dimérisent en présence de calcium. E. L'affinité de la liaison entre cadhérines est proche de celle retrouvée pour le complexe anticorps-antigène.

31. Cadhérines (III)

A. B. C. EI. E.

Les cadhérines jouent un rôle primordial au cours de l'embryogénèse. Les cadhérines, via la caténine, peuvent être associées aux filaments d'actine. Les N'-cadhérines sont retrouvées sur toutes les cellules de l'organisme. Les cadhérines peuvent interagir avec les immunoglobulines. Les caténines associées aux cadhérines permettent de transmettre les informations extracellulaires au cytoplasme.

Matrice extracellulaire et jonctions cellulaires

249

32. Cadhérines (IV)

A. B. G. D.

II existe plus de 100 cadhérines différentes. En général, les cadhérines possèdent cinq domaines EC. Les domaines EC sont constitués de 220 acides aminés. Des répétitions en tandem d'acides aminés sont retrouvées dans les domaines EC. E. Des mutations au niveau des cadhérines peuvent provoquer le syndrome de Ushen

33. Sélectines (I)

A. B. El. D. E.

Les sélectines sont des protéines ne contenant pas de domaine cytoplasmique. La liaison sélectine-substrat est dépendante du calcium. Les sélectines possèdent un domaine extracellulaire de type EGF. Les sélectines possèdent un domaine extracellulaire de type lectine. Les séleetines reconnaissent à la fois des glycoprotéines et des glycolipides.

34. Sélectines (II)

Tl.. Les sélectines, via des protéines adaptatrices, sont en contact avec les microtubules.

B. Les sélectines interviennent dans le processus de « rolling ›› leucocytaire le long de l'endothélium vasculaire.

:::. II existe quatre grandes classes de sélectines.

D. Les sélectines des lymphocytes reconnaissent les sélectines de l'endothélium vasculaire.

E. Les L-sélectines se retrouvent sur tous les types de leucocytes. 35. Molécules de la super famille des immunoglobulines - MSFIG (I) JE..

B. E8. D. E.

Contrairement aux sélectines, aux cadhérines et aux intégrines, les MSFIG nécessitent du calcium pour fixer leur substrat. Les MSFIG sont des protéines transmembranaires ubiquitinylées. Les MSFIG permettent une interaction cellule-matrice extracellulaire. Les MSFIG impliquées dans la reconnaissance cellulaire possèdent au moins un domaine de type immunoglobuline. Les MSFIG reconnaissent des glycolipides se trouvant sur la cellule cible.

250

L'essentiel de la biologie cellulaire

36. Molécules de la super famille des immunoglobulines - MSFIG (II)

A. Les MSFIG sont considérées comme des molécules d'adhérence cellulaire. B. Les MSFIG sont impliquées dans la reconnaissance entre cellules immunitaires.

B. Les MSFIG de type vasculaire peuvent s'associer avec des intégrines. D. Les NCAM sont des molécules de type MSFIG retrouvées sur les cellules nerveuses. Les NCAM réalisent des liaisons homophiliques.

E. Les cellules vasculaires, en exprimant VCAM, favorisent l'adhérence des lymphocytes au cours du processus inflammatoire.

37. Pathologies (I)

A. Des défauts dans la composition de la matrice extracellulaire peuvent aboutir à certaines pathologies.

B. Les pathologies liées à des perturbations de la matrice extracellulaires sont toutes d'origine génétique.

B. Un déficit en vitamine C peut conduire à un défaut de synthèse du collagène. D. Toutes les pathologies sont liées à un défaut de synthèse du collagène. E. A ce jour, aucune pathologie associée à la lamine n'a été identifiée. 38. Pathologies (II)

A. La maladie d'Ehlers-Danlos est une maladie génétique conduisant à des anomalies du collagène.

B. Certains signes de la maladie d'Ehlers-Danlos sont une hyperextensibilité des

or..

articulations ou de la peau. La maladie des os de verre se caractérise par une très grande fragilité osseuse.

D. La maladie des os de verre est due à une moindre synthèse ou une synthèse imparfaite du collagène.

E. Les rides sont liées à une augmentation de l'élasticité de la matrice extracellulaire.

QCM - Matrice extracellulaire et jonctions cellulaires -Réponses 1. Matrice extracellulaire

A. VRAI. La matrice du tissu osseux est différente de celle d'un épithélium vasculaire ou d'un tissu musculaire.

8. VRAI. C. FAUX. La matrice extracellulaire correspond au milieu extracellulaire d'une cellule ou d'un tissu.

D. VRAI. E. FAUX. La matrice extracellulaire est activement synthétisée par des cellules spécialisées.

2. Membrane basale

A. VRAI. B. VRAI. Cela permet par exemple de séparer un épithélium d'un tissu conjonctif tout en assurant une communication mécanique entre ces deux tissus.

:::. FAUX. La matrice extracellulaire des épithélia est plus fine que celle des tissus conjonctifs.

D. VRAI. L'épaisseur de la membrane basale est généralement comprise entre 40 et 120 nm.

E. FAUX. La lamina se compose de glycoprotéines et de sucres appelés

glycosaminoglycanes. Elle est produite par les cellules de l'épithélium et par les cellules sous-jacentes.

3. Tissu conjonctif

A. VRAI. B. FAUX. La composition de la matrice extracellulaire du tissu conjonctif dépend de l'organe considéré.

C. FAUX. Les cellules du tissu conjonctif possèdent aussi des molécules d'adhérence à certains substrats de la matrice.

D. FAUX. Le collagène est particulièrement abondant dans les matrices extracellulaires.

E. FAUX. La matrice extracellulaire du derme est produite par des fibroblastes, les cellules de l'épiderme produisent la lame basale.

252

L'essentiel de la biologie cellulaire

4. Constituants de la MEC

A. FAUX. La matrice extracellulaire contient des protéines et des glucides mais peu de lipides.

B. FAUX. Ce sont des glucides complexes de type glycosaminoglycanes. C. FAUX. Les protéines de la matrice extracellulaire sont, pour la plupart, des glycoprotéines.

D. FAUX. Les protéines de la matrice extraœllulaire sont fibreuses, les protéines cellulaires sont plutôt globulaires.

E. VRAI.

5. Glycosaminoglycanes (I)

A. VRAI. B. VRAI. II s'agit de la répétition d'un hexosamine et d'un sucre de type acide uronique.

B. FAUX. Les glycosaminoglyeanes forment des chaînes linéaires. D. FAUX. L'association entre une proteine et les glycosaminoglycanes forme un protéoglycane mais la liaison est covalente.

E. VRAI. Seuls les glyoosaminoglycanes contenant l'acide hyaluronique ne sont pas sulfates. Néanmoins, ces glycosaminoglycanes conservent une charge globale négative grâce aux groupements carboxyl.

6. Glycosaminoglycanes (II)

A. FAUX. L'acide hyaluronique est non sulfate. B. VRAI.

:::.

VRAI.

D. FAUX. Leur composition en sucres et en sulfates fait varier leur masse moléculaire.

E. VRAI. Exemple : la N'-acétyl-glucosamine. 7. Protéoglycanes (I)

A. FAUX. Le squelette central est constitué d'une protéine sur laquelle s'ajouteront B. C. D. E.

des glycosaminoglycanes. FAUX. Les protéoglycanes sont hydrophiles car ils sont chargés négativement. VRAI. VRAI. FAUX. Les protéoglycanes se retrouvent aussi bien au niveau des membranes basales qu'au niveau de la matrice extracellulaire des tissus conjonctifs.

Matrice extracellulaire et jonctions cellulaires

253

8. Protéoglycanes (II)

A. B. G. D.

VRAI. Ce sont les protéoglycanes. VRAI. Leur taille peut atteindre plusieurs microns. VRAI. FAUX. Ils sont chargés négativement à cause de la présence des glyeosaminoglycanes. E. VRAI. Par exemple, le FGF lie les proteoglycanes.

9. Lami nifes

A. FAUX. Les lamines sont retrouvées au niveau du noyau, les laminines au niveau de la matrice extracellulaire.

B. FAUX. Les laminines sont des hétérotrimères a, B et v reliés par des ponts disulfures.

C. VRAI. D. VRAI. E. VRAI. 10. Élastine

A. FAUX. L'élastine n'est pas glycosylée. B. FAUX. L'élastine est une protéine hydrophobe.

c.

VRAI.

D. FAUX. Les propriétés élastiques de l'élastine proviennent de domaines hydrophobes.

E. FAUX. Les artères sont, au contraire, riches en élastine. 11. Collagènes (I) JE..

B. C. EI. E.

FAUX. A ce jour, 42 gènes codant des chaînes a de collagène ont été identifiés. VRAI. VRAI. Elle représente 25% de la masse protéique totale de l'organisme. FAUX. Les collagènes de type I, II et III sont des homotrimères de chaînes a alors que le collagène de type IV est un hétérotrimère formé de chaînes a, B et y. FAUX. Le collagène de type IV est retrouvé dans les membranes basales.

254

L'essentiel de la biologie cellulaire

12. Collagènes (II)

A. VRAI. B. VRAI. G. FAUX. Des liaisons hydrogène interchaînes favorisent la stabilité de la triple hélice de collagène.

D. FAUX. Le tropocollagène, unité fondamentale du collagène, est la forme soluble du collagène.

E. VRAI. L'association des fibrilles de collagène forme ensuite la fibre de collagène.

13. Fibronectine (I)

A. FAUX. La fibronectine est constituée de deux chaînes peptidiques reliées par des ponts disulfures.

8. VRAI. C. FAUX. La fibroneetine possède des domaines de fixation aux intégrines. D. FAUX. La fibronectine joue un rôle dans l'adhérence et la migration des cellules, notamment au cours de Vembryogénèse.

E. VRAI.

14. Fibronectine (II)

A. VRAI. B. VRAI.

É.

VRAI.

D. FAUX. Cette séquence est impliquée dans l'interaction avec la cellule. E. VRAI.

15. Plasticité de la matrice extracellulaire JE..

B. C. EI. E.

VRAI. Cette plasticité est essentielle à la migration et à la différenciation des cellules. FAUX. Les protéines fibrillaires et élastiques qui la composent assurent une certaine flexibilité. VRAI. Ce sont les collagénases. VRAI. Les métallo-protéases de la matrice (ou MMP) peuvent être classées suivant le substrat qu'elles dégradent. VRAI.

Matrice extracellulaire et jonctions cellulaires

255

16. Jonctions cellulaires

A. FAUX. II peut y avoir des jonctions entre deux cellules. B. FAUX. Les immunoglobulines n'ont pas besoin de calcium pour interagir avec les intégrines.

B. VRAI. D. FAUX. II existe des jonctions communicantes qui sont perméables aux petites molécules hydrophiles.

E. VRAI. Les jonctions en anneau forment les zonula alors que les jonctions ponctuelles sont dites de type macula.

17. Jonctions d'ancrage (I)

A. FAUX. Les jonctions d'ancrage réalisées par les cadhérines et les intégrines nécessitent la présence de calcium.

8. VRAI. C. FAUX. Cette catégorie de jonction est aussi retrouvée au niveau de cellules musculaires.

D. VRAI. E. VRAI.

18. Jonctions d'ancrage (II)

A. VRAI. B. FAUX. Les desmosomes participent à l'interaction cellule-cellule.

É.

FAUX. Les desmosomes sont reliés aux filaments intermédiaires.

D. FAUX. Les cadhérines participent à la formation des desmosomes. E. VRAI.

19. Jonctions d'ancrage (III) JE..

B. C. D. E.

FAUX. Les hémidesmosomes se trouvent au pôle basolatéral. VRAI. VRAI. FAUX. Ce sont des filaments intermédiaires de type kératine. VRAI.

256

L'essentiel de la biologie cellulaire

20. Jonctions d'ancrage (IV)

A. FAUX. La desmoplakine est la protéine faisant la jonction entre les cadhérines B. B. D. E.

particulières des desmosomes et les filaments intermédiaires. VRAI. Elles font le lien entre cadhérines et microfilaments d'actine. FAUX. Les cadhérines s'organisent en cluster. VRAI. FAUX. Elle appartient à la famille des cadherines.

21. Jonctions serrées

A. FAUX. Ce sont les jonctions communicantes qui assurent le passage d'éléments du cytoplasme d'une cellule à l'autre.

B. VRAI. El. FAUX. Ce type de jonction se trouve du côté apical de la cellule. D. FAUX. Les jonctions serrées sont aussi appelées jonctions étanches ou

jonctions d'occlusion. Elles sont soit totalement imperméables, soit laissent passer, dans certains cas, eau et ions inorganiques. E. VRAI. Par exemple, la voie transœllulaire est une voie importante au niveau des épithélia intestinaux ou rénaux.

22. Jonctions communicantes (I)

A. FAUX. Les jonctions communicantes forment des canaux qui laissent passer de petites molécules hydrophiles.

B. FAUX. Les membranes cellulaires de deux cellules adjacentes ne fusionnent

pas. II existe des protéines spécialisées qui réalisent cette jonction. VRAI. D. VRAI. E. FAUX. Ce sont les connexines (généralement six) qui forment le connexon.

:::.

23. Jonctions communicantes (II)

A. FAUX. Les jonctions communicantes permettent d'échanger des éléments cytoplasmiques entre deux cellules.

8. VRAI. C. FAUX. La diffusion des ions au travers des jonctions communicantes est plutôt non sélective.

D. VRAI. Cela permet une contraction synchrone des cellules cardiaques. E. VRAI.

Matrice extracellulaire et jonctions cellulaires

257

24. lntégrines (I)

A. VRAI. B. VRAI. G. FAUX. Les intégrines reconnaissent préférentiellement des éléments de la matrice extracellulaire.

D. VRAI. E. FAUX. L'extrémité Cl des intégrines se trouve du côté cytoplasmique. 25. Intégrines (II)

A. VRAI. B. FAUX. L'interaction avec les microfilaments d'actine est indirecte et fait intervenir la aline.

B. VRAI. D. FAUX. Les intégrines forment des hémidesmosomes avec la matrice extracellulaire. E. FAUX. L'expression des intégrines est ubiquitaire.

26. Intégrines (III)

A. FAUX. II s'agit de liaisons hétérophiliques. B. FAUX. La chélation du calcium empêche la formation des jonctions réalisées

par les intégrines. VRAI. D. VRAI. E. VRAI.

:::.

27. Intégrines (IV)

A. VRAI. B. FAUX. Grâce aux différentes isoformes de chaînes a et B, plus d'une vingtaine d'intégrines ont été identifiées.

C. FAUX. La plupart des intégrines ont un petit domaine cytoplasmique de quelques dizaines d'acides aminés.

D. FAUX. La tajine, en se liant à la sous-unité B, active l'intégrine. E. VRAI. Elles interagissent avec le fibrinogène.

258

L'essentiel de la biologie cellulaire

28. Intégrines (V)

A. VRAI. B. FAUX. Ce sont des structures dynamiques. G. FAUX. Les intégrines interagissent avec le cytosquelette via les protéines adaptatrices de type aline ou actinine.

D. VRAI. E. VRAI. Les points focaux sont parfois considérés comme des mécanosenseurs. 29. Cadhérines (I)

A. FAUX. Les cadhérines permettent d'associer deux cellules. B. VRAI. Les cadhérines s'associent à d'autres cadhérines. E8. FAUX. Ce sont des glycoprotéines. La glycation est une modification posttraductionnelle non enzymatique liée à une glycémie élevée.

D. VRAI. E. FAUX. Le calcium induit un changement conformationnel de l'extrémité extracellulaire Nt.

30. Cadhérines (II)

A. VRAI. B. VRAI.

c.

VRAI.

D. VRAI. E. FAUX. L'affinité de la liaison entre cadhérines est faible, contrairement à l'affinité anticorps-antigène.

31. Cadhérines (III)

A. VRAI. B. VRAI. Cette interaction a lieu lors de la formation de jonctions adhérentes. C. FAUX. Les N'-cadhérines sont retrouvées sur les œllules nerveuses et musculaires.

D. FAUX. Les cadhérines n'interagissent qu'avec les cadhérines. E. VRAI.

Matrice extracellulaire et jonctions cellulaires

259

32. Cadhérines (IV)

A. B. G. D. E.

VRAI. VRAI. FAUX. Ils sont constitués d'environ 110 acides aminés. VRAI. VRAI. Des mutations au niveau de la cadhérine 23 sont associées à ce syndrome.

33. Sélectines (I)

A. B. C-. D. E.

FAUX. Les sélectines possèdent un domaine cytoplasmique court. VRAI. VRAI. VRAI. VRAI.

34. Sélectines (II)

A. FAUX. Les sélectines sont en contact avec des microfilaments d'actine grâce à des protéines adaptatrices.

B. VRAI. Ce processus est activé au cours d'un épisode inflammatoire.

:::. FAUX. II existe trois grandes classes de sélectines : les E, L et P sélectines. D. FAUX. Les sélectines se fixent sur des protéines ou des lipides glycosylés. L'interaction est dite hétérophilique.

E. VRAI.

35. Molécules de la super famille des immunoglobulines - MSFIG (I)

.l's. FAUX. La liaison MSFIG -substrat est indépendante du calcium, contrairement aux trois autres classes de molécules. B. FAUX. Les MSFIG sont des protéines transmembranaires glycosylées. C. FAUX. Les MSFIG participent à l'interaction cellule-cellule. D. VRAI. E. FAUX. Les MSFIG reconnaissent d'autres MSFIG ou des intégrines. La liaison est alors soit homophilique, soit hétérophilique.

260

L'essentiel de la biologie cellulaire

36. Molécules de la super famille des immunoglobulines - MSFIG (II)

A. VRAI. Les MSFIG appartiennent à la grande famille des CAM (« ceII-adhesionB. B. D. E.

molecule ››). VRAI. VRAI. VRAI. VRAI.

37. Pathologies (I)

A. VRAI. B. FAUX. Certaines pathologies sont acquises. E8. VRAI. Une carence en vitamine c mène au Scorbut qui se caractérise par un défaut de synthèse de fibres de collagène.

D. FAUX. D'autres protéines de la matrice peuvent conduire au développement de certaines pathologies.

E. FAUX. Plusieurs maladies ont été identifiées dont la pathologie de Pierson. 38. Pathologies (II)

A. VRAI. B. VRAI.

c.

VRAI.

D. VRAI. E. FAUX. Les rides sont liées à une perte d'élasticité de la matrice extracellulaire.

Exercices - Matrice extracellulaire et jonctions cellulaires Exercice 1 Compléter le tableau suivant. Molécule

d'°adhérence

Type d'interaction

Molécule adaptatrice intracellulaire

Lien avec le cytosqueleüe

Type de jonction cellulaire

Type de liaison

Cadhérines

Cellule Matrice Hétérophilique

Tableau 9.1 : Molécules d'°adhérence (à compléter).

Homophilique et Hétérophilique

Exercice 2 Au cours d'une infection, les leucocytes roulent le long de l'endothélium vasculaire, y adhèrent et, grâce au processus de diapédèse, quittent le lit vasculaire pour rejoindre le site infectieux. Vous désirez étudier les mécanismes mis en jeu au niveau de l'endothélium vasculaire, suite à une infection. Pour ce faire, vous travaillez sur des cellules endothéliales en culture. Afin de mimer l°infection, vous ajoutez à votre culture cellulaire 100 no/mL d°un composant de la paroi des bactéries à Gram négatif appelé LPS pour lipopolysaccharide. Après quatre heures d'°incubation en présence de LPS, vous utilisez la technique de cytométrie en flux afin de déterminer si certaines molécules de reconnaissance intercellulaire sont exprimées. Question 1

D'après vos connaissances, après traitement par le LPS, quelles molécules seront exprimées à la surface des cellules endothéliales ?

262

L'essentiel de la biologie cellulaire

Question 2

En vous aidant du graphique ci-dessous (Figure 9.2), représentez le profil de cytométrie en flux qui pourrait être obtenu sur des cellules endothéliales, activées ou non par le LPS. I

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Figure 9.2 : Profil de cytométrie en flux (à compléter).

Question 3

Comment testeriez-vous in vivo que la DE-sélectine, exprimée sur les œllules endothéliales en réponse au LPS, participent au « rolling ›› leucocytaire sur l'endothélium vasculaire ?

Vous comptabilisez le nombre de leucocytes roulant sur Fendothélimn en observant la veinule mésentérique sous microscope. Les résultats sont les suivants (Figure 9.3) : I-:31 kg le.1ExJc5-'taire

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Figure 9.3 : Nombre de leucocytes roulant sur Fendothélium vasculaire chez des souris sauvages (WT) et Knock-out (KO), injectées ou non par du lipopolysaccharide.

Question 4 Analyser ces résultats. Comment les expliquer ?

Matrice extracellulaire et jonctions cellulaires

263

Ann d"aller plus loin, des souris KO pour la PU-sélectine sont générées. Les résultats sont identiques aux résultats obtenus chez les souris KO pour la Esélectine, traitées par le LPS. Question 5

En se basant sur les deux résultats précédents, qu'attendre de souris KO à la fois pour les E- et les PU-sélectines ?

Les résultats obtenus sur les souris doublement KO pour les E- et les PU-sélectines, injectées par le LPS, montrent qu°i1 y a environ un leucocyte par minute qui roule sur 1°endothélium vasculaire. Question 6

Que déduire de ce résultat ? Comment le concilier avec les résultats des deux expériences précédentes ?

Exercice 3 Vous travaillez sur une lignée cellulaire de cardiomyoblastes appelée H9c2 (Figure 9.4).

Figure 9.4 : Photo d"H9c2 prise au microscope optique à lumière blanche.

Ces cellules adhèrent au fond de la boite de culture. Après un certain nombre de divisions cellulaires, ces cellules sont confluentes et nécessitent d`être décollées. Pour cela, de la trypsine et de l°EDTA sont utilisés. Question 1

A quoi sert la trypsine ? A quoi sert l'EDTA ? Quelles sont les conséquences sur les molécules d'adhérence cellulaire ?

Ann de compléter les résultats obtenus sur ce type de cellules, vous envisagez d'isoler des cellules cardiaques primaires de rat. Pour ce faire, le cœur est isolé et perfusé avec une solution enzymatique.

264

L'essentiel de la biologie cellulaire

Question 2

En vous basant sur vos connaissais, quel(s) enzyme(s) est(sont) nécessaire(s) à l'isolement de ces cellules ?

Après avoir isolé ces cellules, vous les mettez en culture directement après isolement. Vous patientez quelques heures, rincez votre boîte de culture et observez sous microscope. Plus aucune cellule ! Question 3

Comment expliquer qu'aucune cellule n'ait adhéré à la boite de culture ?

Exercices - Matrice extracellulaire et jonctions cellulaires - Réponses Réponses de l'exercice 1 Molécule d'°adhérence

Type d'interaction

Cadhérines

Cellule Cellule

Intégrines

Cellule Matrice

Sélectines

Cellule Cellule

Immunoglobulines

Cellule Cellule

Molécule adaptatrice intracellulaire BY-caténine y-caténine Desmoplaldne Taline Plectine

Lien avec le cytosquelette

Type de jonction cellulaire

Filaments d'actine Filaments intermédiaires Filaments d'°actine Filaments intermédiaires Filaments d'actine

Jonction adhérente

Desmosome

Hémidesmosome

Tableau 9.2 : Molécules d'adhérence.

Type de liaison Homophilique

Hétérophilique Hétérophilique Homophilique et Hétérophilique

Réponses de Pexercice 2 Réponse 1 Les sélectines, et en pafliculier les ET-sélectines, seront plus exprimées au niveau des cellules endothéliales. Les intégrines de la famille des ICAM seront aussi exposées à la surface membranaire.

266

L'essentiel de la biologie cellulaire

Réponse 2 B

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Figure 9.5 : Profils de cytométrie en aux des cellules endothéliales * le fond de la boîte de culture ne contient pas de protéines et de glycoprotéines impliquées dans l°interaction cellule-matrice extracellulaire. L'ajout de collagène ou de laminine permettrait d'°augmenter l'adhérence des cellules au support de culture cellulaire.

Chapitre 10- Cycle cellulaire 1014, c°est le nombre de cellules qui constituent l'être humain. Pourtant, l°individu s°est conscrit à partir d'une seule cellule ocuf diploïde, résultat de la fécondation d°un ovocyte par un spermatozoïde. Ce zygote s°est donc divisé à de très nombreuses reprises, tout en synthétisant de nouvelles biomolécules. Cette alternance entre réplication du matériel biologique et division cellulaire porte le nom de cycle cellulaire. La progression dans le cycle cellulaire est hautement contrôlée car toute modification du matériel génétique est susceptible de générer des cellules cancéreuses. Toutes les cellules de l'organisme n°ont pas la même capacité à se diviser. Les cellules très différenciées comme les cardiomyocytes ne se divisent pas. Certaines cellules ne se divisent que suite à l'exposition à un stimulus, comme les lymphocytes suite à une infection. Erin, certaines cellules comme les cellules souches hématopoïétiques se divisent en permanence.

I. Étapes du cycle cellulaire Le cycle cellulaire se compose de deux grandes phases (Figure 10.1). La première s°organise autour de la production de nouveaux constituants cellulaires (protéines, lipides, organites) et de la réplication de l'ADN. Il s'agit de l°interphase. La seconde phase a pour but de séparer les chromosomes à deux chromatides d'une cellule mère et de les répartir équitablement entre deux cellules elles : il s'agit de la phase M. G0

|

S Î2 Figure 10.1 : Représentation schématique du cycle cellulaire. Flèches noires : interphase symbole A : point de restriction G1/S , étoiles : points de contrôle du cycle cellulaire.

7

270

L'essentiel de la biologie cellulaire

1. Interphase Une partie de l'interphase est consacrée à la synthese d'ADN (passage de la quantité d'°ADN de 2n à 4n) , il s°agit de la phase S. Le centrosome est également réplique au cours de cette phase S. De part et d'°autre de cette phase se trouvent les phases de jonction (« gap ››) G1 et G2. La phase G1 précède la phase S alors que la phase G2 lui est consécutive. La phase G2 précède la phase M. Ces phases de jonction permettent la synthèse des constituants cellulaires (notamment des protéines) nécessaires à la croissance de la cellule et à la réplication de son ADN. Au cours de ces phases est aussi vérifiée la qualité de l°environnement cellulaire afin de déterminer si les conditions sont propices à la division cellulaire. La durée moyenne de l°intelphase est de 23h, dont 10 à 12 heures consacrées à la phase S, et 2 à 4 heures pour la phase G2. Lorsque la phase Gl est longue, la cellule est dite quiescente. Elle ne se trouve plus en phase Gl mais en phase G0. Toutefois, une cellule en phase G0, suite à l'induction par le signal approprié, peut réintégrer la phase Gl et poursuivre son avancée dans le cycle cellulaire. 2. Phase M La phase M, très courte, durant généralement une heure environ, comprend la mitose et la cytodiérèse. La mitose renvoie à la séparation de l'information génétique entre les deux futures cellules elles. Elle comprend la prophase (condensation des chromosomes), la prométaphase (rupture de l°enveloppe nucléaire), la métaphase (alignement des chromosomes sur la plaque équatoriale), l°anaphase (séparation et migration des chromatides sœurs aux deux pôles de la cellule) et la télophase (reformation d'une enveloppe nucléaire). La cytodiérèse correspond à la division cytoplasmique permettant l'obtention des deux cellules elles.

II. Contrôle du cycle cellulaire 1. Différents niveaux de contrôle a. Point de restriction

Le point de restriction de la phase G1 (Figure 10.1), encore appelé point « start ›› ou point R, correspond à une étape décisive pour la cellule. Une fois ce point franchi, la cellule entrera de façon effective dans le cycle afin de se diviser. La décision de la cellule quant au passage de ce point de restriction se fera sur la base d'°une intégration des signaux extracellulaires favorables tels que les facteurs mitogènes comme les facteurs de croissance ou une quantité suffisante de nutriments.

Cycle cellulaire

271

b. Points de contrôle

Outre le point de restriction, il existe d'°autres points de contrôle où la cellule eucaryote vérine son contenu intracellulaire, et en particulier son matériel génétique. Le premier de ces points de vérification ou « checkpoint ›› se situe après le point de restriction mais avant l°entrée en phase S. Lors de cette étape, la cellule vérifie l°intégrité de son information génétique avant de se lancer dans sa réplication. Un deuxième point de contrôle se trouve à l°interface G2/M. Là encore, la cellule contrôlera la fidélité de la réplication, l'intégrité de l'ADN et la quantité du matériel génétique (égale à 4n). Dans le cas où des dommages à l°ADN seraient détectés et non réparés, la cellule entrerait en apoptose (of. Chapitre 12). Ce mécanisme de contrôle est primordial : il empêche la prolifération de cellules mutées, potentiellement cancéreuses. Erin, un autre point de contrôle se trouve au niveau de la transition métaphase/anaphase de la mitose. La cellule vérifiera Palignement correct des chromosomes sur la plaque équatoriale afin de s'assurer d'une bonne séparation des chromatides sueurs. Le passage d'une phase du cycle à une autre est sous le contrôle de protéines kinases et phosphatases. Ces protéines permettent le passage de off à on des différentes étapes du cycle cellulaire. 2. Complexes cyclines-CDK a. Généralités

Le cycle cellulaire est sous le contrôle de kinases appelées CDK pour « cyclindependent kinases ››. Ces protéines l'nases sont elles-mêmes sous le contrôle de régulateurs intracellulaires positifs ou négatifs. Ce sont les cyclines ou les CKI (« CDK inhibitor)/proteins ››), respectivement. L'avancée dans le cycle cellulaire se fera via une activation (et une inhibition) séquentielle de plusieurs combinaisons de complexes cyclines-CDK. b. Complexes cyclines-CDK

Il existe des couples cyclines-CDK spécifiques du point de restriction et des autres points de contrôle. Ainsi, ces cyclines ont été regroupées en quatre classes : les cyclines Gl, G1/S, S et M. Les différentes isoformes des complexes cyclinesCDK sont consignées dans le tableau 10.1. Classe de cyclines

G1 G1/S S M

Phase du cycle

G1 Transition G1/S Transition S/G2 Transition G2/M

Nom de la cycline D E A B

Tableau 10.1 : Complexes cyclines-CDK.

Nom de la CDK CDK4, CDK6 CDK2 CDK2, CDK1 CDK1

272

L'essentiel de la biologie cellulaire

Les cyclines de la phase G1 et de la transition G1/S sont essentielles au passage en phase S. En phase Gl, le facteur de transcription EZF est séquestré par la proteine du rétinoblastome pRb. La fixation de la cycline D sur CDK4 permet l'activation de la l'nase. Le complexe cycline D-CDK4 peut alors phosphoryler pRb. La phosphorylation de pRb conduit à son inactivation. Le facteur de transcription E2F est libéré et active la transcription de certains genes, panni lesquels la cycline E. La formation du complexe cycline E-CDK2 est responsable d'°une hyperphosphorylation de pRb. La cellule franchit le point de restriction et se dirige vers la phase S. Il existe des cyclines synthétisées au cours de la phase S. Elles favorisent l'avancée dans le cycle, et ceci jusque la mitose où elles seront dégradées. C'est par exemple le cas de la cycline A qui s'associe avec CDKI ou CDK2. Enfin, les cyclines de la phase M, en particulier la cycline B, interagissent avec CDKI et les complexes formés permettent lentrée en mitose. Ces l'nases vont notamment phosphoryler l'histone Hl (condensation de la chromatine) et les lamines (rupture de la membrane nucléaire). c. Régulation de l'activité des complexes cyclines-CDK

L'°expression des cyclines est transitoire. Tout d'°abord, leur transcription et leur traduction sont ponctuelles et se déroulent à certaines étapes du cycle. En outre, des modifications post-traductionnelles sur les cyclines jouent un rôle particulièrement important dans la régulation de l'activité des complexes cyclines-CDK et leur localisation sub-cellulaire. Par exemple, la phosphorylation de la cycline B conduirait à son accumulation dans le noyau en phase G2 prémitotique. Les cyclines sont des protéines cibles des ubiquitine ligases, enzymes qui axent plusieurs ubiquitines (polyubiquitinylation) sur la protéine. Les cyclines ayant subi cette modification sont envoyées au protéasome pour y être dégradées. Ainsi, le complexe cycline-CDK est inactivé. La protéine SCF (« Skpl -Cullin-F box ››) participe à Fubiquitinylation des protéines au cours de la phase Gl. Au cours de la phase M, l"ubiquitinylation des cyclines sera catalysée par le complexe APC/C (« anaphase-promoting complex / cyclosome ››). D'°autres modifications post-traductionnelles localisées au niveau du site actif des CDK modulent leur activité. En effet, la phosphorylation par la « CDK-activating kinase ›› (CAK), au niveau d"uI1 résidu thréonine particulier (Thrl60 pour CDK2 par exemple), augmente l'activité enzymatique des CDK. A l'inverse, la phosphorylation de certains résidus du site actif des CDK (Thr14 et Tyr15), par la l'nase Weel, conduit à l°inactivation du complexe cycline-CDK. Cette modification peut être annulée sous l°action de la phosphatase cdc25 Erin, la fixation des CKI bloque l°activité des complexes cyclines-CDK. C°est le cas, par exemple, des protéines p2l et p27 qui inhibent le complexe cycline ECDK 2, ou de pu qui inhibe le complexe cycline D-CDK4.

_

Cycle cellulaire

273

3. Dérégulation du cycle cellulaire et cancers Outre les nombreux travaux réalisés chez la levure, c'est aussi grâce à l'étude de pathologies ou°une meilleure connaissance sur les mécanismes contrôlant le cycle cellulaire a pu être obtenue. Par exemple, l'ataxie télangiectasie, ou syndrome de Louis-Bar, se caractérise non seulement par une atteinte cérébelleuse provoquant l°ataxie (atteinte de la coordination musculaire), la télangiectasie (dilatation des vaisseaux) mais aussi par une augmentation du risque de survenue de cancer. Alors que des cellules normales subissant un dommage à l'ADN retardent leur avancée dans le cycle ou l'entrée en mitose (contrôle de l'ADN pour franchir les checkpoints), celles d'un patient atteint de ce syndrome poursuivent l°avancée dans le cycle car le gène codant ATM est muté, rendant cette protéine inactive. ATM est une protéine kinase activée en cas de dommage double brin à l'ADN. ATM, en phosphorylant Chk2, l'active. La kinase Chk2 pourra ainsi phosphoryler p53. Stabilisée, $53 aura son activité augmentée et pourra activer l°expression de CKI (pu) ou l'expression de gène pro-apoptotique (Puma). Aussi, avec un gène ATM altéré, l'accumulation de dommages à l'ADN va favoriser l'émergence de cellules cancéreuses. D'autres mutations de protéines contrôlant le cycle cellulaire peuvent conduire à la formation de tumeurs. Par exemple, des mutations au niveau des gènes codant la protéine pRb ont été détectées dans le cas notamment du cancer de la rétine. D'°autres gènes, codant des facteurs de croissance, des récepteurs aux facteurs de croissance, des protéines impliquées dans les voies de signalisation ou encore des facteurs de transcription, sont aussi modifiés dans grand nombre de cancers.

II. Mitose La mitose correspond à la répartition du matériel génétique entre deux cellules elles. Les différentes phases de la mitose sont la prophase, la prométaphase, la métaphase, l°anaphase et la télophase. L'avancée dans les différentes phases de la mitose est hautement contrôlée. 1. Phases de la mitose a. Prophase En début de prophase, la chromatine, suite à la phosphorylation des histories H1 par le complexe cycline B-CDK1, se compacte. Les condensines, activées par phosphorylation grâce à ce même complexe cycline B/CDKI, aident aussi la compaction de l°ADN. Les chromosomes se condensent. Les deux chromatides sœurs restent associées sur toute leur longueur grâce à des cohésines. Le kinétochore, complexe protéique entourant le centromère des chromosomes, se

274

L'essentiel de la biologie cellulaire

met en place. Les deux centrosomes (association de deux centrioles et de protéines associées), obtenus à 1°issue de la phase S, se séparent. Au niveau de ces deux centres organisateurs, des microtubules polaires se polymérisent même si l'instabilité dynamique est amplifiée au cours de la prophase. En particulier, autour des centrosomes, des microtubules radiaires s'assemblent et forment une étoile : ce sont les microtubules asturiens. En outre, les microtubules du fuseau mitotique commencent leur formation. Au cours de la prophase, les processus de synthèse protéique, d'endocytose ou d'exocytose sont bloqués. Le nucléole est désassemblé. L'°appareil de Golgi et le réticulum endoplasmique forment des vésicules. b. Prométaphase

La migration des centrosomes est terminée : il y a 1111 centrosome à chacun des pôles de la cellule. La demi-vie des microtubules diminue encore. Des microtubules émanant des centrosomes s'associent avec le kinétochore : ce sont les microtubules kinétochoriens. La membrane nucléaire se rompt sous l'action du complexe cycline B/CDKI. Les chromosomes condensés se dirigent vers la plaque équatoriale. c. Métaphase

Chaque ldnétochore est associé aux microtubules kinétochoriens (10 à 40 par chromosome) émanant des deux pôles cellulaires. Les chromosomes se placent au centre de la cellule de façon perpendiculaire au fuseau mitotique. Ils constituent la plaque équatoriale. La métaphase est la phase la plus longue de la mitose et dure approximativement trente minutes. Le passage de la métaphase à l°anaphase constitue un point de contrôle du cycle cellulaire : l'agencement des chromosomes sur la plaque équatoriale y est vérité. d. Anaphase Les cohésines quittent les centromères afin de peimettre la séparation des chromatides. Les microtubules kinétochoriens se raccourcissent provoquant la séparation des chromatides sœurs vers chaque pôle de la cellule. Les deux pôles de la cellule s'éloignent, marquant le tout début de la cytodiérèse. Il est à noter que le fait que les chromosomes évoluent le long du fuseau mitotique est appelé anaphase A. L'°anaphase B renvoie à l°éloignement des pôles cellulaires. e. Télophase Les chromosomes s°accumulent au niveau de chacun des pôles opposés. Suite à la déphosphorylation des histories Hl et des lamines, les chromosomes se d'condensent et l'enveloppe nucléaire se reforme. Le fuseau mitotique disparaît. Les organites du système endomembranaire commencent à se reformer. L'°anneau contractile nécessaire à la cytodiérèse se met en place.

Cycle cellulaire

275

f. Cytodiérèse Cette phase n'appartient pas stricto sensu à la mitose mais plus globalement à la phase M du cycle cellulaire. Elle débute en un d'anaphase et se termine une fois la télophase achevée. Le cytoplasme est partagé entre les deux cellules elles grâce à la contraction de Panneau contractile formé d'actine et de myosine II. L'°enveloppe nucléaire est formée, la cellule contient un noyau ils interphasique.

Le nucléole se reforme. Le réticulum endoplasmique et l°appareil de Golgi se réorganisent.

2. Contrôle de la mitose a. Point de contrôle G2IM

Le complexe cycline M-CDK (et en particulier le complexe cycline B-CDK1 qui est aussi appels MPF pour « mitosis-promotingfactor ››, Facteurs de croissance, hormones, cytoldnes > Interactions cellule-cellule, cellule-matrice extracellulaire > Récepteurs membranaires et intracellulaires : récepteurs couplés aux protéines G, récepteurs à activité tyrosine kinase, récepteurs nucléaires > Activation de facteurs de transcription activateurs ou répresseurs > Modifications de la chromatine (méthylation) > Régulation post-transcriptionnelle > Modifications post-traductionnelles des histories (phosphorylation, acétylation) Voies alternatives de différenciation > dédifférenciation > transdifférenciation

QCM - Différenciation cellulaire 1. Différenciation (I)

Tl.. Une cellule différenciée est une cellule qui possède un phénotype particulier. B. Les cellules différenciées de l'intestin n'ont pas le même génome que les cellules musculaires. Les œllules différenciées sont bloquées en phase G2 du cycle cellulaire. EI. Les cellules différenciées sont capables de s'auto-renouveler. E. Les hépatocytes sont des cellules différenciées.

III.

2. Différenciation (II)

La différenciation cellulaire est contrôlée par des facteurs extracellulaires.

A.8. La différenciation cellulaire est contrôlée par des facteurs de la matrice extracellulaire.

EI. Seuls les réœpteurs nucléaires sont impliqués dans les voies de la différenciation cellulaire.

DI. Toutes les cellules différenciées d'un même organisme ont le même génome. E. Les œllules non différenciées possèdent la même information génétique que les cellules différenciées.

3. Différenciation (Ill)

A. Les progéniteurs sont des œllules différenciées. B. La décondensation de la chromatine par méthylation permet de réguler l'expression de gènes au cours de la différenciation cellulaire.

C. Le niveau d'acétylation des histories n'a aucun rôle dans la différenciation cellulaire.

D. Les facteurs de croissance, en plus de leur effet mitogène, sont capables d'induire la différenciation des cellules eucaryotes.

E. Les cadhérines participent à la différenciation cellulaire.

Différenciation cellulaire

305

4. Différenciation (IV)

A. La différenciation à partir d'une cellule non différenciée appelée cellule souche est la seule voie de différenciation possible.

B. La transdifférenciation correspond au passage d'une œllule différenciée en une cellule souche.

C. Une cellule d'origine mésodermique peut, après transdifférenciation, donner une cellule différenciée provenant de l'endoderme.

D. Dans certains cas, les cellules différenciées peuvent perdre leur caractère différencié.

E. Dans certaines conditions in vitro, les cellules chromaffines de la médullosurrénale peuvent donner des neurones sympatiques.

5. Différenciation cellulaire (V)

n.

Un épissage alternatif des ARNm participe à la différenciation cellulaire.

8. Les ri ARN participent à la différenciation. B. Le contrôle du transport nucléo-cytoplasmique des ARN participe à la différenciation cellulaire.

D. Des modifications post-traductionnelles de protéines participent à la différenciation cellulaire.

E. Une expression différentielle dans le temps de facteurs de transcription régule la différenciation cellulaire.

6. Cellules souches (I)

A. B. C. D. E.

Les cellules souches se retrouvent uniquement au stade embryonnaire. Les œllules souches sont des cellules non différenciées. Les cellules souches sont capables de se diviser de façon asymétrique. La plupart des cellules souches s'auto-renouvellent. Les œllules souches embryonnaires conservent les mêmes propriétés tout au long du développement.

7. Cellules souches (II)

A. Les œllules souches unipotentes ont une capacité de différenciation identique à celle des cellules souches multipotentes.

B. Les œllules totipotentes sont des œllules souches retrouvées en grande quantité dans la moelle des os.

C. Les œllules pluripotentes ont les mêmes propriétés que les œllules multipotentes.

D. Les cellules souches pluripotentes peuvent donner des cellules appartenant aux trois feuillets embryonnaires.

E. Les cellules satellites sont les cellules unipotentes des muscles.

L'essentiel de la biologie cellulaire

306 8. Cellules souches (III)

A. Les œllules souches pluripotentes sont capables de générer des cellules de la lignée germinale.

B. Les œllules souches multipotentes sont aussi bien retrouvées chez le fœtus que chez l'adulte.

C. Les cellules souches hématopoll'étiques sont considérées comme des cellules souches multipotentes.

D. Les cellules souches participent à l'homéostasie cellulaire. E. Les œllules souches hématopoll'étiques se trouvent dans la moelle rouge des os et permettent de générer des plaquettes, des hématies ou encore des granulocytes.

9. Cellules souches (IV)

A. II est impossible d'obtenir des cellules souches à partir de cellules B. EZ. D. E.

différenciées. Les iPSo ont des caractéristiques de cellules souches pluripotentes. L'invalidation des gènes Oct3/4 contribue à l'obtention d'iPSC. c-Myc est un gène conférant un caractère prolifératif aux cellules. Les iPSo sont utilisées en clinique.

10. Cellules souches (V)

A. Les cellules souches embryonnaires utilisées en recherche proviennent d'une fécondation in vitro.

B. Les cellules souches embryonnaires utilisées en recherche proviennent d'embryons surnuméraires.

C. Les cellules souches embryonnaires utilisées en recherche sont prélevées sur des embryons de 2 jours.

D. Les œllules souches embryonnaires utilisées en recherche sont totipotentes. E. II est possible d'orienter la différenciation des cellules souches embryonnaires utilisées en recherche in vitro.

11. Feuillets embryonnaires

A. Les divisions du zygote vont conduire à la formation de trois feuillets B. C. D. E.

embryonnaires appelés endoderme, ectoderme et mésoderme. Les cellules souches de l'endoderme peuvent former le tissu nerveux. Les œllules musculaires proviennent du mésoderme. Les cellules de l'épiderme proviennent de l'ectoderme. La vessie provient de l'endoderme.

Différenciation cellulaire

307

12. Détermination cellulaire

A. Lorsqu'une cellule est déterminée, elle possède des caractéristiques B. B. D. E.

morphologiques similaires à la cellule différenciée. La détermination cellulaire apparaît très tôt au cours du développement. La détermination cellulaire permet de conditionner l'évolution des cellules. Deux cellules voisines possèdent toujours une détermination identique. II existe des facteurs intracellulaires qui participent à la détermination cellulaire.

13. Lignage cellulaire

A. L'ensemble des cellules provenant d'une cellule originelle renvoie à la notion de lignage cellulaire.

B. Au cours des divisions cellulaires, les cellules acquièrent une mémoire quant à leur devenir.

EZ. Au cours des divisions cellulaires, certains gènes sont supprimés afin d'acquérir un phénotype différencié.

D. Les œllules hématopoll'étiques proviennent, à l'origine, de cellules totipotentes. E. Plus une cellule est éloignée de l'origine de son lignage, plus elle est déterminée.

14. Différenciation cryogénique (I)

A. En cas de lésion, les cellules souches satellites s'activent pour donner des cellules musculaires différenciées.

B. La forme finale de différenciation musculaire est le myotube. B. MyoD est un facteur de transcription qui participe à l'expression différentielle des gènes. II participe à l'obtention d'un phénotype musculaire.

EI. Les protéines Mrf-4 et myogénine participent aussi à la différenciation des cellules musculaires.

E. Le remplacement de la cytidine par la 5-aza-cytidine empêche la différentiation de fibroblastes en cellules musculaires.

15. Différenciation cryogénique (II)

A. B. C. D. E.

Les œllules satellites quiescentes expriment la myosine. MyoD est considéré comme un facteur de détermination musculaire. Un myotube contient plusieurs noyaux. Les myoblastes sont déterminés. Les myoblastes sont capables de proliférer.

L'essentiel de la biologie cellulaire

308 16. Différenciation cryogénique (Ill)

A. B. G. D.

Les œllules musculaires expriment l'albumine. MyoG est un facteur de transcription. MyoD est un facteur de transcription. La différenciation musculaire n'est contrôlée que par des facteurs de transcription. E. L'organisation en sarcomères est caractéristique des œllules striées musculaires.

17. Pathologies - Applications

A. La perte du caractère différencié d'une cellule peut contribuer au développement de cancers.

B. Suite à une agression tissulaire répétée, un type cellulaire pourra se

transformer en un autre type cellulaire qui sera à l'origine d'un cancer.

B. Le clonage somatique est possible lorsque Ton injecte le noyau de la cellule œuf à une cellule somatique énucléée.

D. En théorie, l'utilisation de cellules souches pourrait permettre la réparation de tissus endommagés.

E. L'injection de cellules souches totipotentes permettrait de réparer des tissus endommagés comme le myocarde if farci.

QCM - Différenciation cellulaire - Réponses 1. Différenciation

Tl.. VRAI. B. FAUX. Toutes les cellules d'un organisme ont le même génome mais les gènes exprimés sont spécifiques du type cellulaire. FAUX. Les cellules différenciées sont en dehors du cycle cellulaire. Elles se trouvent en phase GO. D. FAUX. Le renouvellement des tissus se fait grâce à la différenciation de certaines cellules souches. E. VRAI. Ce sont les cellules du foie.

III.

2. Différenciation (II)

A. VRAI. B. VRAI.

c.

FAUX. Les récepteurs membranaires et nucléaires participent au processus de différenciation. D. VRAI. E. VRAI.

3. Différenciation (Ill)

A. FAUX. Ce sont des cellules souches. B. FAUX. La méthylation est responsable d'une condensation de la chromatine.

Ces modifications participent néanmoins à l'expression de certains gènes lors de la différenciation. EZ. FAUX. Les modifications post-traductionnelles des histories participent à la régulation de l'expression des gènes et donc à la différenciation. D. VRAI. E. VRAI. Les interactions cellule-cellule joue un rôle dans la différenciation cellulaire.

310

L'essentiel de la biologie cellulaire

4. Différenciation (IV)

A. FAUX. II existe des voies alternatives de différenciation. B. FAUX. II s'agit du passage d'une cellule depuis un état différencié vers un autre

état différencié. FAUX. La transdifférenciation est possible pour des cellules d'origine embryonnaire proche. D. VRAI. II s'agit de la dédifferenciation. E. VRAI. Ces deux types cellulaires partagent la même origine embryonnaire.

[Î-.

5. Différenciation cellulaire (V)

A. B. El. D. E.

VRAI. VRAI. VRAI. VRAI. VRAI.

6. Cellules souches (I)

Tl.. FAUX. II existe des cellules souches chez les adultes. B. VRAI.

:::.

VRAI.

D. VRAI. E. FAUX. Après J4, les cellules souches embryonnaires ne sont plus capables de générer un individu dans son entièreté.

7. Cellules souches (II)

.l's. FAUX. Les cellules unipotentes ne peuvent donner qu'un type de cellules différenciées, contrairement aux cellules multipotentes. B. FAUX. Les cellules totipotentes sont les cellules retrouvées dans la masse interne du blastocyste jusqu'à J4. C. FAUX. Les cellules multipoténtes né peuvent pas générer autant de types cellulaires que les cellules pluripotentes. D. VRAI. E. VRAI.

Différenciation cellulaire

311

8. Cellules souches (III)

A. B. G. D. E.

VRAI. VRAI. VRAI. VRAI. VRAI.

9. Cellules souches (IV)

Tl.. FAUX. Avant 2006, les chercheurs pensaient que cela était impossible B. C-. D. E.

jusqu'aux travaux du Pr Yamanaka. VRAI. FAUX. L'obtention d'iPSC nécessite la surexpression d'Oct3/4. VRAI. c-Myc est d'ailleurs surexprimé dans certains cancers. FAUX. II y a encore de nombreux obstacles méthodologiques à franchir.

10. Cellules souches (V)

A. VRAI. B. VRAI. Ils proviennent d'embryons obtenus in vitro qui ont été congelés pour un couple de parents qui auront finalement abandonné ce projet.

:::. FAUX. Les cellules embryonnaires sont prélevées sur un embryon de 5 à 7 jours.

D. FAUX. Elles sont pluripotentes. E. VRAI. L'ajout de certains facteurs de croissance oriente leur différenciation. 11. Feuillets embryonnaires .I'I..

VRAI.

c.

VRAI.

8. FAUX. Le tissu nerveux provient de l'ectoderme.

D. VRAI. E. VRAI.

312

L'essentiel de la biologie cellulaire

12. Détermination cellulaire

A. FAUX. Une cellule déterminée ne possède pas les critères morphologiques B. B. D. E.

d'une cellule différenciée. VRAI. La détermination apparaît dans les premiers jours de développement. VRAI. FAUX. Deux œllules voisines peuvent être déterminées de façon différente. VRAI. La cellule est déterminée par son environnement extracellulaire et son information cytoplasmique (facteurs de transcription, modifications de la chromatine).

13. Lignage cellulaire

A. VRAI. B. VRAI.

r::.

FAUX. L'expression de certains gènes est fonction des facteurs de transcription ou des modifications épigénétiques. D. VRAI. E. VRAI. La détermination s'acquiert au cours des divisions cellulaires.

14. Différenciation cryogénique

A. VRAI. B. FAUX. La forme finale de différenciation musculaire est la fibre musculaire qui est le résultat d'une fusion de myotubes.

B. VRAI. D. VRAI. E. FAUX. L'ajout de l'analogue non méthylable de la cytidine favorise la différenciation d'un fibroblaste en cellule musculaire.

15. Différenciation cryogénique (II) JE..

B. E8. D. E.

FAUX. C'est une protéine exprimée dans les cellules différenciées. VRAI. VRAI. II s'agit d'un syncytium plurinucléé. VRAI. Ils se différencieront en cellules musculaires. VRAI. N'étant pas suffisamment différenciés, ils conservent une capacité de prolifération.

Différenciation cellulaire

313

16. Différenciation cryogénique (Ill)

A. FAUX. C'est une protéine exprimée dans les hépatocytes. B. VRAI.

r::.

VRAI.

D. FAUX. Des facteurs circulants comme l'lGF-1 promeuvent la fusion des myocytes en myotubes.

E. VRAI. Cette organisation est retrouvée au niveau des cellules striées squelettiques et cardiaques.

17. Pathologies - Applications

A. VRAI. II s'agit du cancer d'origine anaplasique. B. VRAI. Ce type de cancer est alors appelé cancer métaplasique.

c.

FAUX. Le clonage somatique est possible et a été réalisé en injectant un noyau de cellule somatique à un ovocyte énucléé. D. VRAI. E. FAUX. Les cellules totipotentes ayant une capacite de prolifération illimitée, il y aurait des risques à utiliser directement ce type de cellules.

Exercices - Différenciation cellulaire Exercice 1 Vous avez remarqué que le traitement de fibroblastes par la 5-aza-cytidine provoque la différenciation d'°environ 50% des cellules en myoblastes. Vous cherchez alors à identifier les gènes impliqués dans la différenciation musculaire. Question 1

Quelle stratégie adopter pour identifier les gènes impliqués dans la différenciation

musculaire ?

Question 2

D'après vos connaissances, quel sera l'ARNm principal exprimé de façon différentielle entre les fibroblastes et les myoblastes ?

Question 3

Comment pourriez-vous confirmer le rôle de œ gène dans la différenciation musculaire ?

Ann de valider votre résultat in vitro, vous générez des souris KO pour le gène MyoD. A votre grande surprise, les souris sont parfaitement viables et ont un tissu musculaire normal.

Question 4

Quelle hypothèse avancer pour expliquer ce résultat ?

Exercice 2 Les expériences suivantes ont été réalisées en utilisant deux groupes de souris. Le premier groupe de souris a été fortement irradié afin de détruire leur moelle osseuse. Le deuxième groupe est constipé de souris non irradiées. Ces animaux sont utilisés afin d'en extraire des cellules provenant de la rate et de la moelle osseuse. Ces cellules sont injectées aux souris irradiées. Dix jours après la greffe, la rate des animaux receveurs est prélevée et axée. Voici les résultats obtenus (Tableau l1.2) en terme de mortalité des animaux et de colonies observées au niveau de la rate de l'animal, 10 jours après la greffe.

Différenciation cellulaire

315

Souris irradiées non greffées Souris irradiées ayant reçu des cellules de rate Souris irradiées ayant reçu des cellules de moelle osseuse

Moralité (%) 100

Nombre de colonies 0

100

0

0

2 à 10

Tableau 11.2 : Résultats de moralité et de colonies spléniques obtenus chez les souris radiées.

Question 1

A quoi peuvent correspondre les colonies observées au niveau de la rate des animaux ?

Question 2

Pourquoi les animaux irradiés ne meurent plus après l'injection de cellules de moelle osseuse ?

Pour conformer ces résultats, les chercheurs introduisent cette fois-ci aux souris irradiées de la moelle osseuse provenant de souris avec une anomalie génétique (par exemple, un chromosome surnuméraire).

Question 3

Comment déterminer si les cellules proliférant dans la rate sont effectivement celles des souris avec l'anomalie chromosomique ?

Exercice 3 Les cellules épithéliales pigmentées et les cellules nerveuses de la rétine proviennent toutes deux de la plaque neurale antérieure. Des études antérieures ont montré qu'en cas de lésion de la rétine, les cellules pigmentées pouvaient, suite à une transdifférenciation, remplacer les cellules lésées. Ann de comprendre quels sont les facteurs pouvant conduire à ce résultat, les expériences suivantes ont été réalisées. Des cellules pigmentées, obtenues d'°embryons de poulet, sont dissociées et mises en culture sur des boites de Petra traitées par du Matrigel (mélange de protéines mimant la matrice extracellulaire), dans un milieu contenant ou non le « basic fibroblast growth factor ›› (bFGF). Apres 24h de culture, les cellules sont observées sous microscope (Figure ll.3). .. . .

Sans bFGF

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.... .

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. . . . ). .

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Avec bFGF

Figure 11.3 : Moiphologie des cellules pigmentées traitées ou non par le bFGF.

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L'essentiel de la biologie cellulaire

Question 1

Quels sont les changements observés. Que conclure ?

Au bout de 14 jours, les cellules traitées avec du bFGF forment des amas sphériques ressemblant à ceux observés au cours de la formation d'un neuroépithélium. Question 2

Quelle stratégie expérimentale adopter pour déterminer si les cellules après 14 jours de culture expriment des marqueurs de cellules nerveuses ?

De façon surprenante, aucun marqueur de différenciation neuronale n'est retrouvé. Pourtant, les études in vivo ont démontré que les cellules pigmentées sont capables de générer des cellules nerveuses de la rétine par transdifférenciation. Pour expliquer ces résultats, l°hypothèse suivante est avancée : les cellules épithéliales doivent être jointives (comme in vivo au cours du développement) avant traitement par le bFGF. Ainsi, dans une autre série d'expériences, des explants de tissu pigmenté sont mis en culture en présence ou en absence de bFGF. En absence de bFGF, le tissu pigmenté conserve la morphologie et la pigmentation initiale. Par contre, après 4 jours de traitement au bFGF, le tissu a perdu sa pigmentation et les cellules ont un aspect allongé, en forme de colonne. Des expériences similaires sont réalisées en présence du « transforming growth factor-,B ›› TGF-B ou du « nerve growth factor ›› NGF. La morphologie des cellules n°évolue pas au cours du temps et reste similaire aux conditions