Qu'est-ce qu'une cellule souche?

 Définition

La cellule est l’unité de base du vivant. Notre corps est composé d’environ 100 000 milliards de cellules qui appartiennent à quelque 250 types différents. Les cellules souches se différencient des autres cellules de l’organisme, car elles ont la capacité de se diviser tout au long de la vie et ainsi assurer le renouvellement des cellules d’un individu.

Elles peuvent se diviser et produire des copies d’elles-mêmes indéfiniment, contrairement à d’autres cellules du corps qui ont une durée de vie limitée. Cependant, il arrive que après des mutations répétées, les cellules subissent des modifications de leur patrimoine génétique appelées mutations. Ces mutations peuvent être à l'origine de disfonctionnement dans l'organisme ou même de maladies telles que le cancer.

De plus, les cellules souches ne sont pas spécialisées c’est-à-dire qu’elles n’ont pas de structures ou de fonctions spécifiques, comme c’est par exemple le cas des globules rouges qui transportent l’oxygène. Mais elles ont la possibilité de créer par la division toutes les cellules spécialisées de l’organisme (appelées cellules différenciées). Leur rôle consiste à remplacer les cellules vieillissantes ou qui ont des lésions. En effet, les cellules spécialisées ne se reproduisent pas elles-mêmes. Lorsqu’elles sont endommagées par la maladie ou des blessures, elles ne se remplacent pas. C’est pourquoi les cellules souches sont indispensables au renouvellement de l’organisme.

Les cellules souches se trouvent dans un micro-environement spécialisé appelé niche et peuvent migrer d’une niche à l’autre.

 Source: Mr Kramer, cours de biologie cellulaire

Il existe deux modèles possibles de cellules souches. Le premier (celui du haut) postule l'existence de deux niches qui sont distinctes par leur niveau de taux de prolifération et leur localisation anatomique. Le deuxième modèle (celui du bas) postule l'existence d'une seule niche.














Lorsqu’une cellule souche se divise, une des cellules filles reste une cellule souche et l’autre continue de se diviser en cellules progénitrices qui donneront les différentes cellules différenciées de l’organisme. Ainsi les cellules souches s’auto-renouvellent et limitent leur nombre de division ce qui permet de conserver leur patrimoine génétique, et par conséquence le patrimoine génétique de l'organisme entier. En effet plus le nombre de divisions augmente plus la probabilité d’obtenir des mutations est grande.

Les différents types de cellules souches

    On peut classer les cellules souches en quatre groupes spécifiques, selon leur capacité de différentiation.

1.                Cellules souches totipotentes 

Une cellule souche totipotente peut former l’organisme entier ainsi que le cordon ombilical, placenta et les membranes (amniotique et chorion). On trouve ces cellules seulement dans l’œuf fécondé (zygote) et ces trois premières divisions (8 cellules).

2.                Cellules souches pluripotentes 

Après le stade des huit cellules de départ, les cellules engendrées ne sont plus capables de tout créer, leur capacité de différenciation diminue. Ce moment est appelé le blastocyste aux alentours des 5 à 7 jours après la fécondation (environ 40 cellules). Ces cellules ne sont plus capable de produire un organisme entier mais peuvent se différencier en une multitude de types cellulaires différents tel que les trois feuillets embryonnaires qui sont; l'ectoderme qui s'occupe de produire l'épiderme de la peau ainsi que le système nerveux, l'endoderme produisant le tube digestif et ses glandes annexes telles que le foie ou le pancréas, et finalement le mésoderme qui s'occupera des vaisseaux sanguins, des muscles et du squelette en général.

Ces cellules (totipotentes et pluripotentes) sont également appelées cellules souches embryonnaires.

3.       Cellules souches multipotentes 

On peut trouver ces cellules dans l’embryon mais également dans l’organisme adulte où elles ont toujours la capacité de se renouveler. Les cellules multipotentes donnent naissances à plusieurs types de cellules, mais ce sont des cellules dites déterminées. En effet elles produisent plusieurs types de cellules qui vont constituer un tissu entier ou des tissus.  Exemple : les cellules hématopoïétiques qui s'occupent de tout ce qui se rapporte au sang, les globules rouges, les plaquettes et les lymphocytes.

4.        Cellules souches unipotentes 

Les cellules unipotentes se retrouvent également dans l’embryon et dans l’organisme adulte mais ont un rôle définis. Elles n’ont la possibilité de produire qu’un seul type cellulaire. Exemple : la peau, le foie… 

            La prouesse scientifique récompensée par le prix Nobel de médecine 2012 consiste à reprogrammer des cellules souches adultes différenciées (c'est à dire des cellules multipotentes ou unipotentes) pour reconstruire des cellules souches pluripotentes (exactement comme une cellule souche embryonnaire). Ces cellules sont appelées cellules souches pluripotentes induites (IPS pour « Induced Pluripotent Stem Cells »). 

            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. Pour cela quatre gènes surexprimés dans les cellules souches embryonnaires sont nécessaires : Oct3/4, Sox2, c-Myc, et Klf4. Le gène c-Myc est notamment connu pour ses capacités à faire proliférer les cellules. Le fait de réactiver la pluripotence éteint les autres gènes de différenciation exprimés par la cellule. La technique consiste à faire pénétrer ces quatre gènes dans la cellule adulte afin qu’ils s’y expriment.

Comment obtient-on les différents types de cellules souches?

On trouve les cellules souches:
1)  Dans l'embryon, au début de son développement (cellules souches embryonnaires),
2 ) Dans le sang placentaire du nouveau-né (dans le cordon) et dans les tissus adultes.

1.                  Les cellules souches embryonnaires sont prélevées sur des embryons entre le 5e et le 7e jour suivant une fécondation in vitro (stade blastocyste du développement embryonnaire).

En effet, la différenciation des cellules se produit très rapidement et après le 7^e jour, les cellules souches embryonnaires commencent à se différencier.

C’est pourquoi, pour obtenir des cellules souches embryonnaires il faut stopper le développement de l’embryon, ce qui passe par sa destruction, ce qui pose un problème éthique. De ce fait, leur utilisation est actuellement interdite en France. Des dérogations permettant la réalisation de recherches dans des conditions extrêmement contrôlées peuvent toutefois être accordées par l’Agence de la Biomédecine.

Extraction de cellules embryonnaires 

Dans ce cas précis, on prélève, au 5 e jour qui suit la fécondation, l’œuf appelé à ce moment blastocyste.

-     Mise en culture : Les cellules prélevées sont placées en culture dans un milieu nutritif pour être multipliées.

-     Séparation : Les différentes cellules souches sont isolées et replacées dans un nouveau milieu.

-     Développement : Chaque cellule se divise de multiples fois créant ainsi un nouvel amas de cellules.

2.                  Les cellules souches adultes proviennent de tissus qui se renouvellent. On en trouve par exemple dans la moelle osseuse où elles sont à l’origine des cellules sanguines (cellules souches hématopoïétiques), dans l’épiderme (cellules souches kératinocytaires) ou encore dans le tissu adipeux (cellules souches mésenchymateuses). Ces cellules sont présentes en faible quantité et moins faciles à cultiver que les cellules souches embryonnaires mais leur extraction ne pose pas de problème éthique.

C’est donc à ce niveau que les cellules souches pluripotentes induites deviennent très intéressantes. En effet quasiment toutes les cellules souches adultes qui prolifèrent peuvent être reprogrammées pour acquérir les mêmes caractéristiques que les cellules souches embryonnaires (prolifération à l’infini et différentiation en tout type de cellule de l’organisme). Ainsi l’utilisation de ces cellules ne pose pas de problème éthique et leur extraction est plus aisée car ces cellules sont faciles d’accès par simple biopsie chez un adulte par exemple (prélèvement d’une petite partie d’un organe ou d’un tissu).

Néanmoins, l’utilisation de ces cellules est très récente et pose encore un certain nombre de questions. Les scientifiques estiment par exemple que la reprogrammation n’est pas complète, dans le sens où des modifications du génome acquises au cours de la vie de la cellule persistent après la reprogrammation. Il est également légitime de se demander si la reprogrammation elle-même n’induit pas de mutations ou de modifications génétiques pouvant par la suite altérer le fonctionnement de ces cellules IPS.

 Les niches

   Les tissus contiennent des cellules souches qui contribuent à la croissance et la régénération de ces derniers. Les cellules souches ont besoin de se trouver dans un micro-environement spécialisé appelé niche.

Qu'est-ce qu'une niche ?

            Au début du 20° siècle la notion de niche écologique est introduite par Grinnell pour définir l'environnement qui répond aux besoins d'une espèce. C'est à dire assurer sa reproduction, lui procurer des nutriments et la protéger de la prédation. En 1978, Schofield étend cette notion à la cellule.

Quelle est la fonction d'une niche ?

            La niche a pour fonction de réguler la prolifération, mobilisation et différenciation cellulaire.

Par exemple elle protège de l'apoptose. L'apoptose ou mort cellulaire programmée, est le processus par lequel des cellules s'autodétruisent sous l'impulsion d'un signal. la mort cellulaire est un phénomène naturel génétiquement programmé qui permet l'élimination des cellules inutiles. Il existe un équilibre étroit entre l'apoptose est la fabrication de nouvelles cellules ce qui permet d'éviter la prolifération cellulaire. Quand l'apoptose ne fonctionne pas les cellules peuvent se multiplier de façon anarchique et être à l'origine de cancer. L'apoptose est à différencier de la nécrose, qui est une mort cellulaire pathologique.

De quoi se compose la niche ?

Une niche se compose :

•         De cellules souches.

•         De cellules stromales (cellules voisines). Chaque cellule souche adhère avec une cellule stromales. Il y a une interaction directe entre les deux par le biais de récepteurs membranaire, jonction adhérentes, facteurs solubles, etc.

•         D'une matrice extra-cellulaire, qui a un rôle structural et organisationnel.

•         De vaisseaux sanguins qui permet une communication en transportant des signaux mais permet aussi l'entrée ou sortie des cellules souches.

•         De fibres nerveuses, qui elles aussi ont un rôle dans la communication en apportant des messages physiologiques.

            L'environnement spécifique polarise la cellule, ce qui permet sa division  cellulaire asymétrique.

            La niche est donc un micro environnement spécifique qui permet le maintien de l'homéostasie tissulaire.

            Nous allons maintenant nous attarder et pousser un peu plus loin en termes de connaissances scientifiques en traitant un exemple bien précis. Les cellules et niches intestinales.

 Les connaissances qui vont être expliquées sont en majeure partie des théories, hypothèses qui semblent être vérifié et correct. Cependant le monde cellulaire est tellement complexe qu'il se peut qu'une découverte dans les prochaines années remette tous ces travaux en cause. Le cas de l'intestin est l'un des mieux compris pour ce qui est des cellules souches et des niches, c'est pour cette raison que nous l'avons choisi.