Quant une cellule-souche se divise, l'une reste "souche" et l'autre se différencie... Comment cette asymétrie est-elle déterminée ?

Quant une cellule-souche se divise, l'une reste "souche" et l'autre se différencie...

Les cellules souches se divisent indéfiniment, produisant des cellules qui se différencient et d'autres qui restent, prêtes à se diviser à nouveau. Cette mitose ne produit donc pas 2 cellules identiques, on dit qu'elle est asymétrique. Une étude récente suggère que cette asymétrie résulte d'une différence des centrosomes : le centrosome-mère reste dans la cellule souche et le centrosome nouvellement produit se trouve dans la cellule qui se différencie. Les auteurs supposent que cela détermine l'orientation du fuseau, la position des 2 cellules dans un micro-environnement différent et finalement le destin des cellules.

Fig 1 : Les cellules-souches se divisent pour donner chaque fois une cellule qui se différencie et une qui reste "souche" [img]

Pourquoi des cellules-souches ?

Bien des gens sont perplexes sur le terme de souches associées à ces cellules. Il évoque pour beaucoup une souche d'arbre.

Fig 2 : Une souche d'arole dans le vallon d'Arolla (source : F.Lombard) [img]

Selon le dictionnaire Trésor de la Langue Française : "Base du tronc d'un arbre (ou d'un grand arbuste) prolongée par ses racines. Cette partie étant arrachée ou restant en terre après que l'arbre a été abattu." Mais le terme fait probablement plutôt référence à un carnet à souche qu'on utilisait autrefois.

Fig 3 : Un carnet à souche est un peu comme un paquet de Post-it : on peut y prendre des pages, il en reste encore. (source : F.Lombard) [img]

Selon le dictionnaire Trésor de la Langue Française : "Partie d'un document qui reste attachée à un registre, à un livre ou à un carnet et qui, portant les mêmes indications que la partie détachée, le volant, permet d'en attester l'authenticité. " Il y a deux propriétés qui sont pertinentes ici : une reproduction illimitée : on peut prendre une page, il en restera d'autres (presque indéfiniment), et une asymétrie : les pages qui restent ne sont pas les même que celles qu'on emporte.

Pourquoi cette asymétrie très précise ?

A chaque division des cellules-souches, elles doivent déroger à la symétrie parfaite de la mitose. Issues d'une seule cellule, elle vont devenir très différentes : l'une doit rester sur place, capable de se diviser, peu différenciée et l'autre doit se différencier, en général s'éloigner et perdre sa capacité à se diviser. On s'intéresse beaucoup à ce qui détermine la différenciation de ces cellules, mais si l'une des 2 cellules ne restait pas chaque fois "souche", elles risqueraient de s'amenuiser et venir à manquer.

Comment cette asymétrie est-elle déterminée ?

Comment cette asymétrie se produit est un peu plus clair depuis une recherche récemment publiée par Yamashita et al (2010) , qu'analysent Spradling, A. et al (2010)The Mother of All Stem Cells.

Les centrosomes semblent être la cause de l' asymétrie : lors de leur duplication le centrosome original appelé centrosome-mère reste différent de sa copie : il contient des structures différentes et semble capable de recruter plus de tubuline.

La duplication du centrosome: un rappel

Compléments d'info. sur la duplication des centrosomes tirés du Alberts on-line

Fig 4 : La duplication des centrosomes au cours du cycle cellulaire [img]Source :Alberts on-line Figure complète

Fig 5 : Le fuseau se développe perpendiculairement à la position initiale du centrosome [img]D'après :Alberts on-line Figure complète

L'expérience de Yamashita

L'expérience de Yamashita et al (2010) a consisté à marquer dans les cellules souches de testicules chez Drosophila melanogaster une protéine du centrosome différemment chez le centrosome mère et fille, permettant ainsi de suivre leurs déplacements

Fig 5 : B : Le marquage du Centrosome permet de suivre quelle cellule ils occuperont : notez bien que le 1 le centrosome-mère reste dans la cellule d'origine "souche" [img]D'après :Yamashita Figure complète

L'expérience a montré que le centrosome-mère reste dans la cellule d'origine qui fonctionne comme "souche". Ce centrosome-mère reste du coté fixé (hub) (il s'ancre durant l'interphase dans la jonction adhérente par des microtubules) et se retrouve dans la cellule-souche. Le même centrosome-mère se maintient donc dans la cellule qui reste (hub-proximal) et le nouveau centrosome est produit dans la cellule nouvelle qui va se différencier (hub-distal). Cela détermine aussi l'orientation asymétrique du fuseau : le fuseau se développe perpendiculairement à la position initiale du centrosome. De plus le centrosome-mère restant plus proche du hub détemine laquelle des cellules produites se trouve dans l'environnement spécial appelé "niche" du hub qui la maintient fonctionellement "souche"

Fig 6 : La transmission des centrosomes et le destin des cellules-filles . lors de la division des cellules-souches du testicule de Drosophile , lecentrosome-mère reste adjacent au hub. La capacité plus grande à associer les microtubules stabilise probablement son associaiton avec la jonciton adhérente et les cellules du hub, facilitant la fonction de cellule souche. [img]Source :Spradling, Al. et al (2010) figure complète

Les auteurs se demandent si la transmission asymétrique du centrosome serait le "secret de la fonction des cellules-souches" ou un effet d'une cause plus profonde. D'autres part il faudra des expériences chez d'autres espèces pour vérifier la généralité de cette conclusion et explorer quel rôle ce mécanisme d'asymétrie joue dans la stabilité et la longévité remarquable des cellules souches.

Un mécanisme plutôt que de la magie ou une intention ?

Evidemment on a expliqué un niveau du mécanisme et cela engendre de nouvelles questions. Quelles sont les différences décisives entre les centrosomes mère et fille, par exemple n'est pas expliqué ici. Mais on est entré dans une vision moléculaire : on parle de molécules. Sans vouloir prétendre que ce paradigme moléculaire serait le seul valable, c'est celui qui domine la biologie actuelle et s'est avéré très fécond jusque-là. Il est peut-être en train de céder le pas à un paradigme plus basé sur l'information, mais ce ne sera pas de sitôt. Aider les élèves a appréhender cette vision moléculaire de la vie c'est leur donner un regard incontestablement puissant pour comprendre le vivant. Réaliser que ce n'est pas le seul possible viendra avec la maturité, ...probablement.

Sources

• Alberts, B., Bray, D., Lewis, J., Raff, M., Roberts, K., & Watson, J. (2002). Molecular biology of the cell. New York. Alberts on-line
• Purnell Beverly(30 January 2007) Exploiting Your Niche Sci. STKE 2007 (371), tw40. [DOI: 10.1126/stke.3712007tw40] | Abstract »
• Spradling, Allan C. and Zheng, Yixian. (2010)The Mother of All Stem Cells? Science 26 January 2007: Vol. 315. no. 5811, pp. 469 - 470 DOI: 10.1126/science.1138237
• Yamashita,Y. M., Mahowald,A. P., Perlin, J. R., Fuller, M. T., Science 315, 518 (2007).