Cell Biology Promotion

Auteurs: Laetitia Coudert, Ismahane Khaireh, Valerie Lalanne (étudiants) et IJsbrand Kramer (enseignant). Module BCP608 » signalisation cellulaire «, Université Bordeaux, Mai 2007.

La cellule est l’unité de base de la vie. Il existe dans le corps, plus de deux cent types de cellules différentes (cellules musculaires, nerveuses, immunitaires....) qui ont chacune un rôle très précis. C’est grâce à la » multiplication « des cellules que le corps humain peut grandir jusqu’à l’âge adulte, que les cellules mortes sont remplacées (entretien du corps) et que les blessures guérissent. Cette multiplication est tout à fait normale et indispensable à la vie. Une cellule cancéreuse est une cellule qui a subi plusieurs modifications. Cette cellule, devenue anormale, se met alors à se multiplier de façon incontrôlée dans un organe ou un tissu d’un organisme. Cette croissance anormale entrave tôt ou tard le bon fonctionnement des organes, ce qui peut conduire au décès de l’organisme.

Les cellules eucaryotes, délimitées par une membrane plasmique, contiennent un noyau, un cytoplasme dans lequel se trouvent des organites tels que les ribosomes, les mitochondries, l’appareil de Golgi, le réticulum endoplasmique lisse et granuleux, les endosomes, lysosomes et peroxysomes.

Figure 00 1. Nucléole 2. Noyau 3. Ribosomes 4. Vésicule rattachée au système endomembranaire 5. Réticulum Endoplasmique rugueux (REr) 6. Appareil de Golgi 7. Constituants du Cytosquelette. 8. Vue interne du REr 9. Mitochondrie 10. Lysosomes 11. Cytoplasme 12. Peroxysome 13. Centrosome

Le cancer correspond à la multiplication anarchique de certaines cellules de l'organisme qui échappent aux mécanismes normaux de différenciation et de régulation de leur multiplication. Cet anarchie est la conséquence de plusieurs anomalies qui affectent l’ADN (cet élément qui constitue nos gènes, notre patrimoine génétique). Ces anomalies surviennent » spontanément « dans la séquence des bases de l’ADN au cours de sa réplication et de sa réparation. Elles sont aggravées par des facteurs externes qu’on qualifie alors de carcinogènes (goudron du tabac, UV, huile de croton, alcool, benzène, radicaux libres et autres). Par conséquent, plus on vieillit, plus on accumule des anomalies vectrices de cancer.

Le matériel génétique des organismes est constitué de l’ADN, acide désoxyribonucléique (sauf pour certains virus dont le matériel est l’ARN). L’ADN est un polymère de nucléotides. Un nucléotide comporte une base azotée (composée d’un ou deux cycles carbonés), un (désoxy)ribose (glucide pentose cyclique) et un ou plusieurs groupements phosphates. L’ADN est un polymère de nucléotides qui s’assemblent en longue chaine. Deux chaines parallèles s’associent en ruban hélicoïdal grâce à l’appariement spécifique de bases azotées par des ponts hydrogènes, trois entre C et G et deux entre A et T.

Structure de l’ADN
C’est dans leur célébrissime publication parue dans Nature en 1953, que Watson et Crick élucident la structure de l’acide désoxyribonucléique en proposant le modèle moléculaire de deux chaînes hélicoïdales enroulées autour d’un même axe (» double hélice «). L’originalité de cette structure réside dans la manière dont les deux chaînes parallèles sont solidarisées par l’association d’une base purique à une base pyrimidique sur le même plan perpendiculaire à l’axe de la chaîne. Les bases établissent entre elles des liaisons hydrogènes obligées. En effet, selon le modèle proposé qui s’avéra exact, l’adénine (purine) ne peut se lier qu’à la thymine (pyrimidine) et la guanine (purine) qu’à la cytosine (pyrimidine): c’est le principe de »stricte complémentarité« typique de l’ADN.
WATSON JD, CRICK FH. Nature. 1953 Apr 25;171(4356):737-8. Molecular structure of nucleic acids; a structure for deoxyribose nucleic acid (PDF attaché)

Le développement et le fonctionnement d’un organisme sont le résultat de l’interaction entre son patrimoine génétique et son environnement. Par patrimoine génétique on entend toute la séquence d’ADN, répartie sur 23 paires de chromosomes, selon un agencement en gènes (séquences codantes) et non-gènes (séquences non-codantes).

Figure 02 Les gènes constituent que un très petit part du génome humain complet

Le génome humain comporte environ 35 000 gènes qui codent environ 200 000 protéines différentes. Chaque protéine est caractérisée par une séquence unique d’acides aminés, séquence qui déterminera sa conformation et sa fonction. La nature, l’ordre et le nombre des acides aminés (parmi un choix de 20 différents) sont déterminés par la séquence des nucléotides du gène. L’assemblage des acides aminés (synthèse de la protéine) ne peut pas avoir lieu dans le noyau (ou l’ADN est situé). Il y a donc nécessité d’un intermédiaire, qui porte le message et qui peut quitter le noyau pour servir de matrice dans le processus d’assemblage. Cet intermédiaire, nommé pour son rôle ARNmessager (ARNm) est copié à partir de l’ADN (processus appelé transcription et réalisé par une ARN polymérase) et porte donc toute information sur la nature, l’ordre et le nombre des aminés à assembler (voir Figure 03).

Figure 03 Transcription et traduction: du gène à la protéine
L’ADN est composé de deux chaines nucléotidiques complémentaires enroulées en hélice. Une des deux chaines servira de matrice de transcription. A noter qu’au cours de la transcription, la base T de l’ADN est remplacée par la base U (typique de l’ARN).

Le message porté par l’ARNm est un message codé. Dans ce code (déchiffrable uniquement dans le sens 5’ vers 3’) l’identité de chaque acide aminé est donnée par une séquence spécifique de trois nucléotides consécutifs sur l’ARNm, dénommée codon. Les nucléotides du code sont au nombre de quatre: adénosine phosphate (A), guanosine phosphate (G), cytosine phosphate (C) et uridine phosphate (U). Quelques exemples: AUG code la méthionine, ACC code la thréonine et UCA code la sérine (voir Figure 04).

Comme on le verra dans la figure 04, l’ensemble des codons possibles, 43 = 64, est supérieur au nombre d’acides aminés disponibles (20 chez les Eucaryotes), si bien qu’un même acide aminé peut être codé par plusieurs codons: si le tryptophane n’a que le seul codon UGG, la glycine peut être codée par les combinaisons GGU, GGC, GGA ou GGG. Pour faire référence à cette caractéristique, les anglo-saxons parlent de » degenerate code «. En utilisant toutes les combinaisons possibles, ce code limite le risque d’arrêt de synthèse. En effet, dans le cas d’un code non-dégénéré, un changement de la séquence nucléotidique pourrait aisément donner lieu à un triplet non attribué par le code génétique (codon non existant) et donc bloquer le processus d’assemblage.

Etant donné qu’on dispose de 20 acides aminés, le code à trois lettres paraît être le plus cohérent (optimum). En effet, le code à deux lettres serait insuffisant, car ne permettant que 16 (42) combinaisons. A l’inverse, le code à quatre lettres, permettant 256 combinaisons (44) serait excessif, rendant inutilement long le génome codant. Le code est universel; il est utilisé par tous les organismes, animaux, végétaux, champignons, bactéries et virus. Cependant, des codons légèrement différents peuvent exister chez les mitochondries et certaines bactéries.

Le message codé (sous forme de triplets) est traduit en acides aminés par le ribosome aidé par l’ARN de transfert (ARNt). En effet, c’est l’ARNt qui apporte au ribosome l’acide amino correspondant au codon qu’il a préalablement connu grâce à l’anticodon qui le caractérise Chaque ARNt est spécifiquement lié à un acide aminé précis. Par conséquent chaque codon de l'ARNm appellera un acide aminé spécifique qui se liera au précédent: c'est la traduction du gène. Dans l'exemple de la figure 05, l'ARNtPhe est présenté de façon simplifiée selon le classique modèle en feuille de trèfle permettant de montrer la position de l'anticodon, le site de fixation de la phénylalanine (Phe), les nucléotides impliqués dans l'interaction avec la phénylalanyl-ARNt-synthétase (lettres en jaune) et, enfin, les nucléotides impliqués dans l'appariement intramoléculaire (liaison en pointillé).

Le séquençage du génome humain a démontré l’existence d’environ 35 000 gènes (qui ne représentent que ~1,5% de la quantité totale de l’ADN du noyau). Il est important de savoir que ces 35 000 gènes sont à l’origine de la synthèse d’environ 200 000 protéines différentes (amplification). C’est l’épissage, traitement différentiel du transcrit primaire de l’ARNm (copie brute du gène), qui est largement responsable de ce phénomène d’amplification.

Fonction de l’abondant ADN non codant; la régulation épigénétique?
Comme le montre la figure X, ~98,5% de notre patrimoine génétique est composé d’ADN qui ne code pas de protéines. Cet excès d’ADN n’est certainement pas ajouté pour donner du poids au noyau ou pour faire travailler la machinerie de réplication; il doit donc jouer un rôle important dans le fonctionnement de l’organisme. Ce rôle n’est que partiellement compris.

Tout d’abord, certains morceaux d’ADN sont utilisés pour être transcrits en ARN ribosomal (ARNr) et ARN de transfert (ARNt). Comme nous venons de le voir, ces deux types d’ARN sont essentiels pour la synthèse des protéines. L’ARN ribosomal constitue, avec de nombreuses protéines, le ribosome, machine de synthèse des protéines. Les ARNt assurent la traduction du code génétique porté par l’ARNm et sont essentiels dans la sélection des acides aminés durant l’assemblage de la chaîne polypeptidique (ou protéine). D’autres morceaux d’ADN sont transcrits en micro-ARN (ARNmi), séquences courtes qui régulent la transcription et la synthèse des protéines par une voie indirecte. En effet, certains de ces micro-ARN se fixent aux ARN messagers par complémentarité, provoquant leur destruction ou l’inhibition du fonctionnement du ribosome (qui ne peut plus » lire « le message). Pour cela, ces micro-ARN sont souvent aussi qualifiés d’ARN d’interférence (ARNi) une forte expression d’un ARNmi spécifique d’un ARNm, empêchant l’expression de la protéine correspondante. D’autres micro-ARN se fixent à l’ADN et empêchent la transcription de certains gènes. On les qualifie d’ARN antigène (ne pas confondre avec les substances capables d’induire la production d’anticorps (les » antigènes «)).

Certaine séquences non-codantes d’ADN se trouvent à l’intérieur de la séquence d’un gène et porte des instructions qui seront déchiffrés lors de l’épissage. En effet, quand l’ADN est transcrit en ARN primaire, ces séquences non-codantes fixent des enzymes qui vont enlever certaines parties de l’ARN messager primaire (les introns). Ces introns ne seront donc pas traduits en protéine.

De longues séquences d’ADN, en amont, à l’intérieur ou encore en aval du gène sont utilisées pour la régulation de sa transcription. Ces séquences sont désignées comme » séquences régulatrices «. Elles fixent des protéines, les facteurs de transcription, qui dans l’ensemble, font décider si oui on non l’ARN polymérase va se fixer au début d’un gène donné pour le transcrire en ARNm. Certains de ces facteurs de transcription peuvent également rendre l’ADN complètement inaccessible à toute autre régulation en mettant en place un arrangement moléculaire très encombrant qui empêche l’accès à d’autres facteurs de transcription et à l’ARN polymérase. C’est une manière très efficace d’éviter que certains gènes s’expriment. Ce processus qui peut rendre » silencieux « l’ADN joue un rôle important dans la spécialisation des cellules. Une cellule musculaire n’exprime pas les mêmes protéines qu’une cellule hépatique (foie). Une des caractéristiques des cellules souches, dont on a montré qu’elles étaient présentes dans la plupart des organes, réside dans le fait que leur ADN demeure toujours très accessible ce qui permet leur prolifération fréquente et le maintien de leur pluripotentialité.

Figure 07 Les différents rôles d’ADN, la transcription des gènes avec leurs introns et exons, la régulation de la transcription par des séquences régulatrices, la regulation de traduction par la transcription des ARNi et des ARNr

On sait qu’un changement (accidentel) dans la séquence de l’ADN du gène est susceptible d’entraîner un déséquilibre qui se traduit par l’apparition d’une anomalie dans le fonctionnement de la cellule. La modification de la séquence peut aller du changement d’une seule base (mutation ponctuelle), d’une délétion de plusieurs bases, jusqu'à un remaniement de chromosomes (phénomène qualifié de translocation). Dans certain cas on observe la mise en place de plusieurs copies d’un gène ou d’un fragment de chromosome, qui se traduit par une expression exagérée (conduisant à un excès de protéines).

Certaines des anomalies génétiques confèrent à la cellule la capacité de survivre dans les conditions où normalement elle disparait par » suicide « (apoptose). D’autres conduisent à un avantage prolifératif: les cellules finissent par former une masse appelée "tumeur". Ces anomalies peuvent s’additionner ce qui fait que la cellule prolifère exagérément et est capable d‘infiltrer son environnement sans risque d’être détruite par apoptose. On parle alors de cellule fortement transformée à l’origine de tumeur maligne (cancer).

Le risque d’arriver à cette transformation est très faible, mais étant donné le nombre de cellules qui prolifèrent en permanence dans l’organisme (les cellules souches et leur progéniture proche) et la durée de vie d’un organisme (environ 80 ans pour l’Homme), il n’est pas négligeable. De plus, certaines de ces mutations augmentent la fréquence d’autres erreurs (phénomène appelé instabilité génétique) et donc accélèrent le processus de transformation. Dans le cas des cancers dits » héréditaires «, le sujet porte déjà depuis sa naissance une anomalie dans un des gènes dont souvent le produit est une protéine impliquée dans la vérification et la réparation de l’ADN (voir ci-dessous). Cette anomalie augmente donc le risque d’un cancer précoce (par exemple, un cancer du sein bien avant 50 ans).

Ces anomalies concernent à la fois la séquence d’ADN codante et la séquence non-codante. La plupart des études sur les effets de mutations concernent le fonctionnement des gènes et leurs produits (les protéines) car on connait becaucoup mieux les aspects génétiques que les aspects épigénétiques. Cependant, il est important de savoir que des études récentes ont montré que des variations de l’ADN associées au Diabète de type II (tardif et lié à l’obésité) se trouvent majoritairement dans les régions non-codantes (les non-gènes).

Pour illustrer les anomalies génétiques responsables du phénomène de transformation dans le cadre du cancer du sein nous donnons quelques exemples:

En raison des erreurs dans la réplication de l’ADN il arrive que les chromosomes fusionnent et que lors de la division cellulaire ils se fragmentent mais d’une manière » non-équilibrée « (figure 08). Ainsi une cellule fille hérite d’un chromosome avec plusieurs gènes dupliqués, alors que certains gènes manquent totalement dans l’autre cellule fille. Il a, par exemple, été montré que le récepteur du facteur de croissance EGF (nommé ERBB2) est fortement amplifié dans certains cas du cancer du sein. Dans le cas de l’ERBB2 il est probable que cette amplification est survenue par une insertion de plusieurs épisomes. Un épisome est un morceau de l’ADN circulaire extra-chromosomique, qui peut se répliquer d’une manière autonome. Les épisomes peuvent être réintégrés aux chromosomes cellulaires. Dans le domaine du cancer, les fragments circulaires de l’ADN sont aussi appelés » double minutes «.

Figure 10 Amplification des genes par “Breakage fusion-bridge” et par un épisome

Il est également possible que la région régulatrice d’un gène, par exemple codant un récepteur, soit modifiée par un échange de morceaux de chromosomes (translocation) et qu’en conséquence, la régulation de son expression soit plus sensible aux signaux des facteurs de croissance. Ceci se traduit par une prolifération excessive de la cellule.

Enfin, certaines mutations ponctuelles et certains remaniements des gènes changent l’activité de la protéine qui devient hyperactive (gain de fonction) ou, au contraire, inactive (perte de fonction). Quand le gain de fonction se traduit par une prolifération excessive on qualifie le gène muté d’oncogène.

Figure 11 Les mutations ponctuelles et remaniements des gènes avec des conséquence grave sur la régulation de la prolifération et survie des cellules

Quatre exemples illustrent ce phénomène: 1) Une amplification du gène erbb2, dans certain cas de cancer du sein; 2) un gain de fonction par mutation ponctuelle dans le gène ras dans la plupart des cancers; 3) une fusion d’un partie du gène bcr avec c-abl, qui donne également naissance à une protéine dérégulée est la cause de la leucémie chronique myéloïde (lien avec groupe 2 du site Gleevec); 4) une mutation dans le gène pten qui rend la protéine inactive. PTEN est une protéine qui réduit la magnitude de la réponse cellulaire aux facteurs de croissance et donc un manque de son activité augmente le signal de croissance. On qualifie la protéine PTEN de suppresseur de tumeur.