Cellules iPS : quelles prouesses !
Les cellules iPS sont formées à partir de cellules somatiques adultes qui sont reprogrammées par transformation génétique pour devenir pluripotentes et se comportent à peu près comme si elles étaient des cellules souches embryonnaires.
Chaque cellule spécialisée dans un organisme, présente tous les gènes qui constituent le génome de cette espèce.
Les 46 chromosomes présents dans chacun de nos noyaux cellulaires représentent bout à bout deux mètres d’ADN mais ne mesurent en réalité qu’un à dix micromètres (soit entre 10 –6 et 10–5 m) dans le noyau des cellules. En revanche, une cellule mesure entre 10 et 100 µm de diamètre, les chromosomes sont donc fortement enroulés sur eux-mêmes (environ 100 000 fois).
A échelle humaine, c’est comme si l’on voulait faire rentrer 2 km de fil dans une balle de tennis.
Chaque type de cellule est défini par son niveau particulier d'expression de certains gènes. En effet, dans une cellule de la peau par exemple, seuls les gènes qui codent les protéines de la peau sont actifs. Les gènes actifs sont toujours dans des zones ouvertes non compactes des chromosomes.
Tous les autres gènes indispensables à la formation d'autres types cellulaires comme le foie ou le coeur sont inactifs et étroitement enveloppés au sein de régions chromosomiques très condensées.
-
La zone noire est une zone dense que l’on appelle hétérochromatine. C'est une région très condensée et donc inaccessible pour les complexes enzymatiques qui réalisent la transcription et donc l’expression des gènes.
-
La zone blanche est une zone peu dense: c’est l'eurochromatine. Cette région est peu condensée et donc accessible aux complexes enzymatiques.
Finalement qu’est-ce qui rend ces zones accessibles ?
-
Les modifications épigénétiques sont induites par l’environnement : la cellule reçoit en permanence toutes sortes de signaux l’informant sur son environnement, de manière à ce qu’elle se spécialise au cours du développement ou ajuste son activité à la situation. Ces signaux, y compris ceux liés à nos comportements (alimentation, tabagisme, stress…), peuvent conduire à des modifications dans l’expression de nos gènes, sans affecter leur séquence. Le phénomène peut être transitoire, mais il existe des modifications épigénétiques qui persistent lorsque le signal qui les a induites disparaît.
Les vrais jumeaux sont un exemple représentatif de l’épigénétique car ils possèdent au départ la même information génétique. Cependant, en se développant, leurs gènes s’expriment différemment. En effet de vrais jumeaux se ressemblent mais présentent tout de même des différences physiques.
Mode d'action de l'épigénétique
Les marques épigénétiques régulent le statut « ouvert » ou « fermé » de régions du génome et contrôlent ainsi le statut actif ou inactif des gènes par différents modes d’action : la méthylation, l’acétylation et la phosphorylation du nucléosome ainsi que la méthylation de l’ADN.
I. Le nucléosome
Les protéines histones du nucléosome peuvent être modifiées en ajoutant ou en éliminant de petits groupes chimiques appelés acétyle-, méthyle-, et phosphoryle-, ou des groupements protéiniques plus grands à différents endroits.
L’effet de telles modifications est de changer la nature du nucléosome d’une manière qui affecte l’"ouverture" ou la "fermeture" de la chromatine.
La région NH2-terminale des histones est accessible à l’extérieur du nucléosome. Les modifications d’histones s’effectuent ainsi sur cette région.
Il faut savoir qu'il existe d'autres types de modification comme la déméthylation, déacétylation ou la déphosphorylation.
Ci-dessous l'exemple de l'acétylation et de la déacétylation des histones. On remarque que l'acétylation des histones décondense l'ADN: elle est donc accessible.
Les histones sont chargées positivement et la fibre chromatinienne possède des charges négatives ainsi l’ajout d’un groupe acétyle romp les forces électrostatiques qui maintiennent le nucléosome compacté.
II. L’ADN
L’ADN est constitué de quatre bases différentes qui représentent les quatre lettres du code génétique, l’adénine (A), la cytosine (C), la guanine (G), et la thymine (T).
La méthylation de l'ADN correspond à l'ajout d'un groupement méthyle: -CH3 sur le carbone 5 des résidus cytosines de l'ADN.
Cette modification chimique est assurée par les enzymes ADN méthyltransférases ou DNMT à partir d'un donneur de méthyle, la S-adénosyl-méthionine (SAM) (voir ci-dessus).
Qu'est ce que la transcription?
La transcription de l'ADN est la première étape nécessaire à la fabrication d’une protéine. Il s'agit du processus de copie du plan de fabrication original, l'ADN d'un gène stocké dans le noyau, en ARNm (messager) afin de transmettre les instructions de fabrication à l’ «usine» située au niveau du cytoplasme. L'ARNm va être par la suite traduit ou «décodé» en protéines qui vont assurer le fonctionnement des cellules et ainsi de l'organisme.
Pour réaliser cette transcription, les bases azotées complémentaires de l'ADN s'associent entre elles : l'adénine avec l'uracile, la cytosine avec la guanine. Cette transcription de l'ADN est rendue possible grâce à une enzyme : l'ARN polymérase. Cette transcription permet de synthétiser une molécule d'ARN complémentaire au brin d'ADN, cette molécule devenant à son tour porteuse de l'information génétique.
La molécule d'ARN directement synthétisée dans le noyau à partir du modèle ADN, est traitée par un complexe enzymatique qui garde uniquement l'information utile à la synthèse protéique et élimine les introns. C'est ce que l'on appelle l'épissage.
L'ARN produit est plus court, passe dans le cytoplasme et devient un (ARNm). L'ARNm est alors traduit en protéine à partir des acides aminés en présence des et des ARN de transfert (ARNt).
I.Les mécanismes d'action
Tout d'abord, ces 4 protéines appartiennent à la catégorie des facteurs de transcription activateurs c’est à dire qu’elles contrôlent positivement le niveau d’expression de leurs gènes cibles en agissant comme des potentiomètres: elles se lient à des régions régulatrices sur l’ADN appelées "amplificateur", "enhancer" en anglais, pour favoriser la fabrication d’autres protéines. La fixation du facteur sur l’ADN entraîne un changement de conformation au niveau des promoteurs ce qui permet la formation d’un complexe de démarrage de la transcription.
Qu'en est-il des cellules iPS ?
La reprogrammation de cellules différenciées en cellules iPS consiste à les modifier génétiquement pour réactiver les signaux d’immaturité et de prolifération caractéristiques d’une cellule pluripotente.
Les cellules souches embryonnaires sont maintenues pluripotentes grâce à la présence simultanée de plusieurs facteurs de transcription. Une combinaison particulière de ces protéines est capable de reprogrammer une cellule différenciée (c'est-à-dire spécialisée) en cellules pluripotentes. Shinya Yamanaka a donc introduit artificiellement dans des cellules somatiques adultes, un mélange des 4 protéines Oct4, Sox2, Klf4, c-Myc, normalement surexprimées par les cellules souches embryonnaires afin de modifier leur identité et les transformer en cellules pluripotentes.
Les facteurs de transcription
Ce sont des protéines nécessaires à l'initiation ou la régulation de la transcription d'un gène. Ils peuvent agir indirectement sur l'état de condensation de la chromatine en se liant, c'est-à-dire en recrutant d'autres facteurs qui acétylent ou désacétylent spécifiquement certains résidus lysines des histones ce qui a un effet activateur ou répresseur, respectivement, de la transcription de l'ADN en ARN messager.
Les protéines de signalisation activatrices recrutées par les facteurs de transcription vont permettre de transcrire donc de débuter le programme d'acquisition de pluripotence par la cellule. Le fait de réactiver la pluripotence inhibe les autres programmes de spécialisation et donc la transcription des gènes de différenciation exprimés par la cellule. Le déroulement de ce processus est facilité par plusieurs méthylations de l'ADN.
II.En pratique
Au début, les chercheurs désirant faire synthétiser par les cellules le cocktail des 4 protéines embryonnaires correspondants aux facteurs de transcription activateurs devaient activer la production des ARM messagers correspondant en introduisant dans les cellules des copies supplémentaires des gènes codants pour ces protéines portées par des navettes ou vecteurs viraux (molécule d'ADN capable de s'autorépliquer (de se reproduire), dans laquelle on introduit (in vitro) de l'ADN étranger au sein du virus modifié que l'on utilise ensuite pour faire pénétrer cet ADN dans une cellule hôte).
L’utilisation de virus modifiés avaient l’inconvénient majeur de ne pas contrôler le site d’intégration du virus dans le génome de la cellule hôte qui se produit au hasard et peut donc entraîner un risque de mutation et/ou d’expression prolongée de ces gènes.
Ces défauts sont désormais corrigés grâce à l’utilisation de nouveaux vecteurs non intégratifs : des plasmides (ce sont des molécules d'ADN circulaires naturelles ou modifiées artificiellement dans le but de l'utiliser en recherche biologique ) ou encore le virus de Sendaï qui pénètrent dans la cellule puis finissent par disparaître par dilution à chaque division cellulaire.
Au fur et à mesure que les cellules reprogrammées se divisent, elles deviennent de plus en plus similaires aux cellules souches embryonnaires jusqu'à ce que la différence soit indiscernable au niveau morphologique et au niveau de leur contenu moléculaire.
À partir de ce moment elles peuvent être utilisées pour produire n'importe quelle cellule du corps. Toutes les cellules adultes qui prolifèrent peuvent être utilisées pour cette reprogrammation. Les fibroblastes cutanés sont les cellules les plus utilisées car elles sont faciles d’accès. Mais des essais concluants ont eu lieu avec bien d’autres types de cellules : kératinocytes (autres cellules de la peau), adipocytes (cellules spécialisées dans le stockage des graisses), cellules hématopoïétiques (du sang)...
La dédifférenciation
Une cellule lymphocyte observée au microscope
