Spécialisation cellulaire

Cellules spécialisées

Avant de nous pencher sur le processus de différenciation des cellules, voyons quelques exemples de cellules spécialisées et leurs fonctions. Comme nous l'avons évoqué dans le paragraphe précédent,

l'organisme pluricellulaire, tel que l'être humain, est un ensemble de cellules spécialisées.

Dans le corps humain, il existe six principaux types de cellules spécialisées. Ces 6 types sont :

• les cellules épithéliales ;

• les cellules nerveuses ;

• les cellules musculaires ;

• les cellules du tissu conjonctif ;

• les cellules immunitaires ; et

• les cellules reproductrices.

Au sein de ces 6 groupes de cellules spécialisées, il existe de nombreux sous-types.

Cellules épithéliales

Les cellules épithéliales sont étroitement liées les unes aux autres et tapissent principalement l'intérieur des organes creux, tels que les vaisseaux sanguins et les organes digestifs. Les cellules épithéliales forment également la surface de notre peau et de nos ongles. Ces cellules servent à protéger la peau et les organes creux des agents pathogènes ou des blessures.

Cellules nerveuses

Les cellules nerveuses sont spécialisées dans la communication et elles contrôlent tout le corps. Elles sont chargées d'envoyer des signaux aux autres cellules afin de les maintenir fonctionnelles. Les cellules nerveuses se trouvent principalement dans le cerveau, mais elles se retrouvent dans tous les tissus du corps. La cellule nerveuse la plus courante est le neurone. Les neurones se projettent dans toutes les régions du corps et contrôlent la perception sensorielle, la fonction motrice et toutes les autres fonctions intermédiaires.

Les neurones qui se projettent dans tes yeux, tes oreilles, ta bouche, ton nez et ta peau envoient des signaux sensoriels à ton cerveau et te permettent d'expérimenter le monde par le biais des cinq sens. Sans neurones sensoriels, tu ne sentirais rien, ne verrais rien, n'entendrais rien, et ne goûterais rien. Tu serais totalement déconnecté du monde tel que tu le connais.

En plus d'établir tes cinq sens, les neurones contrôlent également tes mouvements. Les neurones de ton cerveau envoient des signaux aux cellules musculaires de ton corps pour les faire bouger. Pendant que tu parcours ce résumé de cours, les neurones de ton cerveau envoient un signal indiquant à tes doigts de bouger.

Cellules musculaires

Les cellules musculaires sont spécialisées dans la motilité. Sans cellules musculaires, tu ne pourrais pas bouger. En fait, tu ne pourrais pas vivre sans cellules musculaires puisque ton cœur est constitué de cellules musculaires. Les cellules musculaires se déplacent en répondant aux signaux moteurs émis par les neurones du cerveau et de la moelle épinière.

Les cellules musculaires sont appelées myocytes et elles peuvent former différents tissus musculaires en fonction de leur spécialisation. Les cellules musculaires forment trois types de muscles : les muscles squelettiques (muscles striés), lisses (non striés) et cardiaque. Les muscles squelettiques sont striés lorsqu'on les examine au microscope et constituent l'ensemble des muscles externes de ton corps, tels que les biceps, les triceps, les muscles abdominaux, les muscles des jambes, les muscles du cou, les muscles du visage et les muscles du dos. Ces muscles sont sous ton contrôle volontaire et répondent aux potentiels d'action générés par ton système nerveux.

Les cellules du muscle cardiaque sont appelées cardiomyocytes et sont contrôlées involontairement par ton système nerveux. Ces cellules ne cessent de se contracter et répondent continuellement aux signaux moteurs. Comme les cellules musculaires cardiaques, les cellules musculaires lisses sont également contrôlées involontairement par ton système nerveux. Les cellules musculaires lisses tapissent tes vaisseaux sanguins, tes organes internes, le vagin chez les femmes et ton tube digestif. Ces muscles répondent aux signaux moteurs de ton système nerveux pour te permettre de respirer, de digérer les aliments et de faire circuler le sang dans tout ton corps.

Cellules immunitaires

Les cellules immunitaires ont pour fonction de défendre ton organisme contre les agents pathogènes envahissants et les dommages structurels de la peau. Les cellules immunitaires ont pour fonction de tuer les virus, bactéries et champignons envahissants. Il existe de nombreuses cellules immunitaires dans l'organisme, mais les plus courantes sont les globules blancs — les cellules tueuses naturelles —, les lymphocytes T CD4, les lymphocytes T CD8 et les lymphocytes B. Les lymphocytes B ont pour fonction de créer des anticorps qui empêchent les virus et les bactéries de se répandre dans l'organisme en les neutralisant, tandis que les lymphocytes T tuent les cellules hôtes infectées.

Cellules du tissu conjonctif

Les cellules du tissu conjonctif fournissent un soutien structurel à l'organisme et contribuent à la protection contre les agents pathogènes. Les types les plus courants de cellules conjonctives sont les cellules osseuses, les cellules sanguines et les fibroblastes. Les cellules osseuses comprennent les ostéoblastes, les ostéocytes, les ostéoclastes, les cellules de revêtement osseux et les cellules ostéogéniques. Chacune de ces cellules travaille ensemble pour assurer la solidité des os. L'os contient également des cellules souches dans les moelles osseuses jaune et rouge.

Cellules reproductrices

Les cellules reproductrices sont différentes chez les mâles et les femelles. Leur fonction principale est d'assurer la reproduction afin d'assurer les générations futures. Les femelles ont des cellules reproductrices appelées ovules, tandis que les mâles ont des cellules reproductrices appelées spermatozoïdes. Lorsqu'un spermatozoïde féconde un ovule, un zygote se forme. Ce zygote subit une division cellulaire pour générer des cellules souches. Lorsque les cellules souches se divisent, elles commencent à se différencier en lignées cellulaires spécifiques, créant ainsi une spécialisation cellulaire.

Spécialisation et différenciation des cellules

Lorsqu'un zygote est formé dans l'utérus, il continue à se diviser en cellules souches, qui sont capables de se différencier en différentes lignées cellulaires. De nombreux facteurs régissent la façon dont une cellule souche se divise, comme les étapes du développement et la présence de différents signaux cellulaires qui déterminent la différenciation de la cellule souche. Commençons par explorer la différenciation des cellules souches au cours du développement fœtal.

Développement du fœtus

Lorsqu'un zygote a été généré après la fécondation, il se divise en une structure connue sous le nom d'embryon. L'ovule fécondé présente de nombreux stades de division, mais le stade le plus important est celui de la morula. Un œuf fécondé au stade de la morula contient des cellules souches totipotentes ou omnipotentes. Ces cellules souches ont le potentiel de créer un organisme entier par division cellulaire. En se divisant davantage, l'ovule fécondé forme un blastocyste, qui est une boule de cellules souches se divisant rapidement.

Un blastocyste est constitué de cellules souches de la masse interne et de cellules externes. Les cellules de la masse interne forment ensuite l'embryon, tandis que les cellules externes forment la section fœtale du placenta et une partie du sac embryonnaire. Les cellules de la masse interne sont des cellules souches pluripotentes qui peuvent se différencier en (presque) tous les types de cellules spécifiques aux tissus, comme ceux mentionnés ci-dessus.

Une fois l'embryon formé, les cellules de la masse interne migrent dans différentes régions pour former les trois couches germinales : l'ectoderme, l'endoderme et le mésoderme. Les cellules souches de la masse interne dans l'ectoderme se différencient en tissus et cellules du système nerveux. De même, les cellules souches de la masse interne de l'endoderme se différencient en tissus et cellules musculaires, tandis que les cellules du mésoderme se différencient en cellules somatiques telles que les cellules osseuses et sanguines. La Figure 1 ci-dessous illustre les différentes étapes du développement d'un zygote en un embryon.

Fig. 1 - Les différentes étapes du développement d'un zygote en un embryon.

De la naissance à l'âge adulte

Une fois que le bébé naît, il ne dispose plus de cellules souches fœtales capables de se différencier en plusieurs types de tissus, puisque tous les tissus et organes ont déjà été formés. Les seules cellules souches qui se trouvent principalement dans ton corps sont les cellules souches mésenchymateuses multipotentes que l'on trouve dans la moelle osseuse, les gencives et le sang périphérique. Ces cellules souches peuvent se différencier en différents types de cellules, comme les lymphocytes, les cellules osseuses, les cellules du système nerveux et les cellules musculaires. De nombreuses recherches ont été menées sur l'utilisation des cellules souches mésenchymateuses pour traiter des maladies neurodégénératives comme la maladie de Parkinson.

Un autre type de cellules souches présentes dans l'organisme sont les cellules souches oligopotentes. Ces cellules peuvent s'auto-renouveler et se différencier en deux ou plusieurs cellules appartenant à un type de tissu spécifique. Des exemples de cellules souches oligopotentes sont les cellules souches hématopoïétiques et les cellules souches neuronales. Ces cellules souches ne peuvent se différencier qu'en cellules présentes dans le foie et le système nerveux, respectivement. Enfin, nous avons les cellules souches unipotentes, ces cellules sont capables de s'auto-renouveler mais ne peuvent se différencier qu'en un seul type spécifique de lignée cellulaire, comme un neurone ou un globule rouge.

Organismes pluricellulaires

Alors comment ces cellules souches se différencient-elles en types de cellules spécifiques avec différentes fonctions spécifiques ? Eh bien, les cellules se spécialisent en fonction de signaux. Ces signaux peuvent être internes, ce qui signifie que le signal provient de la cellule qui se différencie elle-même. Les signaux cellulaires peuvent également être externes, ce qui signifie que le signal provient soit d'une cellule voisine, soit d'une cellule éloignée.

Lorsqu'une cellule reçoit un signal, les gènes de cette cellule en voie de différenciation s'activent et orientent cette cellule vers une lignée spécifique. Si une cellule souche reçoit un signal lui indiquant de se différencier en une cellule du système nerveux, cette cellule souche n'exprimera que les gènes nécessaires à la formation d'une cellule du système nerveux. La différenciation cellulaire peut également être contrôlée par des stimuli environnementaux.

Un exemple de ce phénomène peut être expliqué en utilisant la protéine du facteur de choc thermique. Si une cellule est exposée à une température trop élevée, le facteur de choc thermique va migrer dans le noyau et influencer l'expression génétique des cellules pour créer davantage de protéines de choc thermique dans la cellule. Ces protéines de choc thermique vont alors former une barrière durcie autour de la cellule pour la protéger de la température élevée. Les cellules de notre corps produisent également des facteurs de choc thermique en réponse à un manque d'oxygène. Étudions maintenant ensemble un exemple spécifique de la façon dont une cellule répond à des signaux internes, externes et environnementaux pour établir une spécialisation cellulaire.

Les étapes de la spécialisation cellulaire

Comme nous le savons déjà, les cellules souches sont capables d'auto-renouvellement et de différenciation. Les cellules souches y parviennent par la division cellulaire asymétrique. Pendant la division cellulaire asymétrique, la cellule souche se divise en deux types de cellules différents. Par exemple, une cellule souche neuronale donnée peut se diviser pour produire une autre cellule souche neuronale fille et une cellule gliale fille. La division cellulaire est dite asymétrique car elle ne produit pas deux cellules filles identiques. Ce qui rend les cellules souches uniques, c'est qu'elles sont capables d'une division cellulaire symétrique et asymétrique. La Figure 2 ci-dessous illustre la manière dont les cellules souches se différencient en cellules spécialisées.

Fig. 2 - Schéma de la différentiation de cellules souches en cellules spécialisées.

Processus de spécialisation des cellules souches

Examinons par exemple la spécialisation des cellules dans le cerveau. Le cerveau adulte comporte deux régions principales où se produit la neurogenèse : la zone sous-ventriculaire (ZSV) et le gyrus denté situé dans l'hippocampe. Dans la ZSV, les cellules souches astrocytaires se différencient en neurones précoces, appelés neuroblastes, et en cellules gliales. Lorsqu'une cellule souche astrocytaire se divise, elle peut produire soit un neuroblaste, soit une cellule d'amplification transitoire, soit une autre cellule souche astrocytaire, quelle que soit la combinaison. Si la cellule souche astrocytaire se divise en un neuroblaste, un neurone sera produit.

Une fois le neurone produit, des signaux internes et externes vont le pousser vers une spécialisation spécifique. Dans le cas de la zone sous-ventriculaire, le neurone sera un neurone olfactif spécialisé dans la transmission de stimuli chimiques au cerveau. En revanche, si la cellule souche astrocytaire se divise en une cellule d'amplification transitoire, une cellule gliale sera produite. Des signaux spécifiques conduiront cette cellule à produire soit un astrocyte, soit un oligodendrocyte.

Le niveau de spécificité d'une cellule en cours de différenciation dépend des signaux internes et externes présents ainsi que de l'emplacement de la cellule. L'emplacement de la cellule et les stimuli des signaux déterminent quels facteurs de transcription sont activés, ce qui déterminera quels gènes sont exprimés dans cette cellule particulière. L'expression des gènes d'une cellule est ce qui détermine sa spécialisation.

Références

1. Vieira, M. S., Santos, A. K., Vasconcellos, R., Goulart, V., Parreira, R. C., Kihara, A. H., Ulrich, H. et Resende, R. R. (2018). La différenciation des cellules souches neurales en neurones matures : Mécanismes de régulation et applications biotechnologiques.
2. Zakrzewski, W., Dobrzyński, M., Szymonowicz, M. et al. Stem cells : past, present, and future. Stem Cell Res Ther 10, 68 (2019).
3. Rachel Baxter BSc, M. (2022, 30 juin). Types de cellules musculaires. Récupéré sur https://www.kenhub.com/en/library/anatomy/types-of-muscle-cells