Cellules souches

Une cellule souche (stem cell) est une cellule non spécialisée qui peut se diviser sans limite selon les besoins et peut, dans des conditions spécifiques, se différencier en cellules spécialisées. Les cellules souches sont divisées en plusieurs catégories selon leur potentiel de différenciation.

Les premières cellules embryonnaires qui résultent de la division du zygote sont les cellules souches ultimes ; ces cellules souches sont décrites comme totipotentes (totipotent) car elles ont le potentiel de se différencier en n'importe laquelle des cellules nécessaires pour permettre à un organisme de croître et de se développer.

Les cellules embryonnaires qui se développent à partir de cellules souches totipotentes et sont les précurseurs des couches tissulaires fondamentales de l'embryon sont classées comme pluripotentes. Une cellule souche pluripotente (pluripotent stem cell) est une cellule qui a le potentiel de se différencier en tout type de tissu humain, mais ne peut pas soutenir le développement complet d'un organisme. Ces cellules deviennent ensuite légèrement plus spécialisées et sont appelées cellules multipotentes.

Une cellule souche multipotente (multipotent stem cell) a le potentiel de se différencier en différents types de cellules au sein d'une lignée cellulaire donnée ou d'un petit nombre de lignées, comme un globule rouge ou un globule blanc.

Enfin, les cellules multipotentes peuvent devenir des cellules oligopotentes plus spécialisées. Une cellule souche oligopotente (oligopotent stem cell) est limitée à devenir l'un des quelques types de cellules différents. En revanche, une cellule unipotente (unipotent cell) est entièrement spécialisée et ne peut se reproduire que pour générer davantage de son propre type cellulaire spécifique.

Les cellules souches sont uniques en ce qu'elles peuvent également se diviser continuellement et régénérer de nouvelles cellules souches au lieu de se spécialiser davantage. Il existe différentes cellules souches présentes à différents stades de la vie humaine. Elles comprennent les cellules souches embryonnaires de l'embryon, les cellules souches fœtales du fœtus et les cellules souches adultes chez l'adulte. Un type de cellule souche adulte est la cellule souche épithéliale, qui donne naissance aux kératinocytes dans les multiples couches de cellules épithéliales de l'épiderme de la peau. La moelle osseuse adulte contient trois types distincts de cellules souches : les cellules souches hématopoïétiques, qui donnent naissance aux globules rouges, aux globules blancs et aux plaquettes (Figure 3.34) ; les cellules souches endothéliales, qui donnent naissance aux types de cellules endothéliales qui tapissent les vaisseaux sanguins et lymphatiques ; et les cellules souches mésenchymateuses, qui donnent naissance aux différents types de cellules musculaires.

Figure 3.34 Hématopoïèse Le processus d'hématopoïèse implique la différenciation de cellules multipotentes en cellules sanguines et immunitaires. Les cellules souches hématopoïétiques multipotentes donnent naissance à de nombreux types de cellules différents, y compris les cellules du système immunitaire et les globules rouges.

Différenciation

Lorsqu'une cellule se différencie (devient plus spécialisée), elle peut subir des changements majeurs dans sa taille, sa forme, son activité métabolique et sa fonction globale. Puisque toutes les cellules du corps, à commencer par l'ovule fécondé, contiennent le même ADN, comment les différents types de cellules en viennent-ils à être si différents ? La réponse est analogue à un scénario de film. Les différents acteurs d'un film lisent tous le même scénario, mais chacun ne lit que sa propre partie du scénario. De même, toutes les cellules contiennent le même complément complet d'ADN, mais chaque type de cellule ne « lit » que les portions d'ADN qui sont pertinentes pour sa propre fonction. En biologie, cela est appelé l'expression génétique unique de chaque cellule.

Pour qu'une cellule se différencie en sa forme et sa fonction spécialisées, elle n'a besoin que de manipuler les gènes (et donc les protéines) qui seront exprimés, et non ceux qui resteront silencieux. Le mécanisme principal par lequel les gènes sont activés ou désactivés est l'intermédiaire des facteurs de transcription. Un facteur de transcription (transcription factor) est une protéine qui se lie à des gènes spécifiques sur la molécule d'ADN et qui favorise ou inhibe leur transcription (Figure 3.35).

Figure 3.35 Les facteurs de transcription régulent l'expression génique Bien que chaque cellule corporelle contienne l'intégralité du génome de l'organisme, différentes cellules régulent l'expression génique à l'aide de divers facteurs de transcription. Les facteurs de transcription sont des protéines qui affectent la liaison de l'ARN polymérase à un gène particulier sur la molécule d'ADN.

Lien avec le quotidien

Recherche sur les cellules souches

La recherche sur les cellules souches vise à trouver des moyens d'utiliser les cellules souches pour régénérer et réparer les dommages cellulaires. Avec le temps, la plupart des cellules adultes subissent l'usure du vieillissement et perdent leur capacité à se diviser et à se réparer. Les cellules souches ne présentent pas de morphologie ou de fonction particulière. Les cellules souches adultes, qui existent sous forme de petit sous-ensemble de cellules dans la plupart des tissus, continuent de se diviser et peuvent se différencier en un certain nombre de cellules spécialisées généralement formées par ce tissu. Ces cellules permettent au corps de renouveler et de réparer les tissus corporels.

Les mécanismes qui induisent une cellule non différenciée à devenir une cellule spécialisée sont mal compris. En laboratoire, il est possible d'induire des cellules souches à se différencier en cellules spécialisées en modifiant les conditions physiques et chimiques de croissance. Plusieurs sources de cellules souches sont utilisées expérimentalement et sont classées selon leur origine et leur potentiel de différenciation. Les cellules souches embryonnaires humaines sont extraites d'embryons et sont pluripotentes. Les cellules souches adultes présentes dans de nombreux organes et tissus différenciés, tels que la moelle osseuse et la peau, sont multipotentes, leur différenciation étant limitée aux types de cellules trouvées dans ces tissus. Les cellules souches isolées du sang du cordon ombilical sont également multipotentes, tout comme les cellules des dents de lait. Des chercheurs ont récemment développé des cellules souches pluripotentes induites à partir de cellules souches adultes de souris et humaines. Ces cellules sont des cellules adultes multipotentes génétiquement reprogrammées qui fonctionnent comme des cellules souches embryonnaires ; elles sont capables de générer des cellules caractéristiques des trois couches germinales.

En raison de leur capacité à se diviser et à se différencier en cellules spécialisées, les cellules souches offrent un traitement potentiel pour des maladies telles que le diabète et les maladies cardiaques (Figure 3.36). La thérapie cellulaire fait référence à un traitement dans lequel des cellules souches induites à se différencier dans une boîte de culture sont injectées à un patient pour réparer des cellules ou des tissus endommagés ou détruits. De nombreux obstacles doivent être surmontés pour l'application de la thérapie cellulaire. Bien que les cellules souches embryonnaires aient un potentiel de différenciation presque illimité, elles sont considérées comme étrangères par le système immunitaire du patient et peuvent déclencher un rejet. De plus, la destruction d'embryons pour isoler des cellules souches embryonnaires soulève des questions éthiques et juridiques considérables.

Figure 3.36 Cellules souches La capacité des cellules souches à se différencier en cellules spécialisées les rend potentiellement précieuses dans les applications thérapeutiques visant à remplacer les cellules endommagées de différents tissus corporels.

En revanche, les cellules souches adultes isolées d'un patient ne sont pas considérées comme étrangères par l'organisme, mais elles ont une gamme de différenciation limitée. Certaines personnes conservent le sang du cordon ombilical ou les dents de lait de leur enfant, stockant ces sources de cellules souches pour une utilisation future, si leur enfant en avait besoin. Les cellules souches pluripotentes induites sont considérées comme une avancée prometteuse dans le domaine car leur utilisation évite les écueils légaux, éthiques et immunologiques des cellules souches embryonnaires.