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L’anatomie et les fonctions des cellules

La fécondation sexuée.

La reproduction : mitose et méiose (V)

La fonction vitale de toute cellule et a fortiori des organismes est bien évidemment de se reproduire pour assurer leur descendance ou la pérénnité de leurs fonctions. Dans le cas des organismes on parle d'accouplement ou de parthénogenèse (reproduction sans l'intervention d'un mâle comme chez l'écrevisse) et de reproduction. Dans le cas d'une cellule, on parle soit de mitose soit de méiose.

La mitose

La mitose consiste en une duplication de tous les constituants cellulaires. C'est un mécanisme asexé surtout exploité par les cellules procaryotes où le matériel génétique n'est pas trop important. On parle de mitose quand il s'agit de créer deux cellules filles, c'est-à-dire génétiquement identique, des clones, à partie d'un seul parent comme dans le cas de la division bactérienne. Au cours de ce cycle, les chromosomes sont dupliqués et se séparent à l'identique.

La mitose est divisée en plusieurs phases : l'interphase ou phase G au cours duquel l'ADN de la cellule est copié en préparation de la division cellulaire. Cette phase est elle-même divisée en trois phases intermédiaires : la mitose proprement dite ou phase M durant laquelle le noyau et le cytoplasmes se divisent, la prophase, la métaphase, l'anaphase et la télophase, le cycle se terminant par la division physique du cytoplasme ou cytokinèse qui scinde la cellule en deux parties.

Chez une cellule procaryote la mitose dure entre 20 minutes et 4 heures, terme au bout duquel la cellule s'est transformée en deux cellules filles.

Evolution d'une division cellulaire par mitose (asexuée, un seul parent). Ci-dessus, de haut en bas et de gauche à droite : l'interphase, la prophase, ma prométaphase, la métaphase, l'anaphase, la télophase, la cytokinèse et l'interphase terminale. Ci-dessous : la prophase, la prométaphase, la métaphase, l'anaphase, la télophase et la cytokinèse. Documents Cell alive et ASU.

La mitose existe également chez les cellules eucaryotes comme la fameuse ligne de cellules cancéreuses HeLa que connaissent tous les laborantins et dont on voit des photos ci-dessous, mais elle est proportionnellement moins fréquence et beaucoup plus longue, pouvant durer jusqu'à 24 heures. En effet, l’ADN contenu dans une cellule eucaryote est beaucoup plus abondant que celui d’une cellule procaryote. La scission de tous les brins ne peut pas se réaliser en l’espace d’une demi-heure comme on peut le découvrir en observant la division d’une bactérie. La double hélice de l’ADN mesurant plus d’un mètre chez l’être humain et étant mainte fois torsadée, le dénouement de cette inextricable boule de fil serait bien trop long. La division cellulaire s’établit donc sur plusieurs morceaux d’ADN en même temps afin de faciliter le transfert des chromatides (les deux parties d'un chromosome) par les fuseaux achromatiques comme on le voit ci-dessous.

A voir : La mitose - La méiose

Microphotographies par fluorescence de la division (mitose) d'une cellule cancéreuse HeLa. A gauche, la métaphase (l'ADN apparaît en vert et les fuseaux achromatiques en rose - ils permettent la migration des chromatides). Au centre, l'anaphase (la chromatine contenant les chromosomes apparaît en rouge, les microtubules en vert et le cytoplasme en bleu). A droite, l'anaphase où l'ADN prend une curieuse forme de coeur. Documents Paul D.Andrews, Matthew Daniels/Wellcome Images et CNRS.

A voir : Cell Division Images

De gauche à droite, la mitose d'une cyanobactérie Nostoc, de cellules d'oursins, la division d'un embryon de Xénope (grenouille d'Afrique du Sud) de 3 jours au stade 4 cellules (des cellules souches totipotentes). Documents Microscopy, anonyme et IGH/CNRS.

La méiose

Dans le cas des humains la division cellulaire porte le nom de méiose qui consiste en une reproduction sexuée des cellules : chaque parent produit des gamètes (ovocyte pour la femelle et spermatozoïde pour le mâle) qui font s'accoupler. Elle ressemble à la mitose à la différence près qu'il s'agit d'une division cellulaire réductionnelle. La cellule ne se divise pas à l'identique mais nous assistons à une réduction de moitié du nombre de ses chromosomes en vue de la reproduction : les gamètes libérés par les parents contiennent chacune 23 chromosomes (simples, par de paires) et forment ce qu'on appelle un haploïde symbolisé par "n".

Comme la plupart des organismes pluricellulaires ou métazoaires sexués, l'être humain est diploïde : toutes les cellules somatiques, c'est-à-dire toutes les cellules à l'exception de la lignée germinale (gamètes) portent 2 jeux complets de chromosomes, l'un hérité de la mère, l'autre du père. En effet, après la fécondation, la fusion de l'haploïde de l'ovule et de l'haploïde du spermatozoïde donne un diploïde (2n) contenant 46 chromosomes répartis en 23 paires (46,XX ou 46,XY). Le zygote ou ovocyte fécondé par le spermatozoïde peut à présent se former et se diviser en évoluant du stade morula à embryonnaire, puis prénatal jusqu'au foetus (à partir du 3e mois) pour se terminer par la naissance où débute sa véritable vie plus ou moins autonome selon les espèces.

Durant le processus de la fécondation et de la diploïdie humaines, la cellule assure un rythme de travail infernal : 100000 éléments doivent être séparés à chaque seconde durant 6 heures puis réassemblés ! A ce rythme il est compréhensible qu'il y ait des erreurs au cours de la réplication et c'est ici qu'interviennent des systèmes de corrections d'erreur de l'ADN, un dispositif très évolué que ne possède pas les virus, ce qui explique leurs nombreuses mutations. On y reviendra.

A voir : La grossesse mois par mois, bebetou

Les photographies du corps humain de Lennart Nilsson

Fécondation humaine in vitro, Groupe Hospitalier COCHIN

A gauche et au centre, des embryons humains au stade morula (il rappelle la forme d'une petite mûre, d'où son nom) âgés respectivement de 4 jours et de 7 jours, ce dernier étant dans son sac amniotique et en nidation. Il mesure 0.1 mm. C'est au 3e mois que tous les membres du foetus sont formés et qu'il peut les bouger. Il a également une notion du toucher, des odeurs et du goût. A droite, un foetus humain de 4 mois. Il mesure 20 cm et prend des proportions harmonieuses. Il pèse entre 200 et 250 g. Le foetus est capable d'entendre. Bien que ses yeux soient encore fermés, sa rétine est déjà sensible à la lumière. Documents Jason Burns/Ace/Phototake NYC, anonyme et Lennart Nilsson (A child is born).

Les aberrations chromosomiques

Au cours de la gamétogenèse qui conduit à la formation des cellules reproductrices, il peut arriver qu'une cellule possède un nombre anormal de chromosomes, c'est une cellule aneuploïde.

Parmi les aberrations chromosomiques les plus courantes citons la polyploïdie lorsque les cellules renferment un multiple du nombre haploïde, par exemple 3 haploïdes (3n) soit 23x3, 69 chromosomes. On rencontre très souvent cette anomalie chez les végétaux où elle provoque notamment le gigantisme. Chez les animaux, cette anomalie peut arriver lorsque l'ovule est fécondé par deux spermatozoïdes. L'homme supporte très mal cette malformation.

Quand le nombre de chromosomes varie entre 47 et 49 on parle d'hyperdiploïdie. La plus connue est la trisomie qui se manifeste lorsqu'une paire de chromosome forme, non pas une paire homologue, mais un triplet. Dans ce cas, l'ADN du sujet comprend 47 chromosomes. C'est le cas de la trisonomie 21 qui altère la 21e paire de chromosomes (47, 21+) en provoquant chez l'homme une déficience intellectuelle et des handicaps physiques.

A ce jour, on ne peut pas éviter cette mutation qu'on peut juste diagnostiquer pendant la période foetale. Dans ce cas, près d'un tiers des grossesses sont interrompues médicalement. Ce handicap se manifeste environ 1 fois sur 800 naissances, ce qui en fait la maladie congénitale la plus fréquente.

Selon l'OMS, dans le monde, les maladies congénitales touchent 1 enfant sur 33 et entraînent chaque année 3.2 millions d'incapacités. Dans 50% des cas, on ne peut pas associer la maladie avec une cause spécifique. On peut néanmoins identifier des facteurs de risques (socio-économiques, génétiques et environnementaux), le déclenchement de la mutation étant très probablement multifactoriel.

Le système de défense immunitaire

L'homme étant en interactions avec le monde extérieur à travers les processus de la respiration, de la circulation du sang et de l'alimentation notamment, au cours de leur métabolisme toutes les cellules doivent faire face à des agents toxiques externes, que ce soit des microbes sur lesquels nous reviendrons ou des polluants au sens large.

Pour y faire face et maintenir l'organisme en bonne santé, nous disposons du système immunitaire qui représente notre mécanisme de défense. Grâce au sang, il est capable de répondre très rapidement par des actions innées, adaptatives ou acquises. Les premières sont non spécifiques (par ex. l'inflammation, la phagocytose, etc) et prises en charge par une espèce particulière de globules blancs ou leucocytes appelés les macrophages. Les secondes et troisièmes types d'actions sont adaptées à l'intrus et ciblées sur ce qu'on appelle des antigènes grâce à l'action d'autres globules blancs, les lymphocytes B, T et NK notamment. On reviendra sur leur rôle lorsque nous décrirons les bactéries et les virus.

Un globule blanc ou leucocyte. Présent dans le sang, il fait partie du système immunitaire et comprend les macrophages dont la réponse est innée et les lymphocytes dont la réponse est acquise et ciblée. Document Anne Weston/Wellcome images.

C'est pourquoi, lors d'une analyse sanguine, une déficience en globule blanc ou leucopénie (< 500 leucocytes par millilitre de sang) est le signe d'une faiblesse du système immunitaire. L'origine peut-être due à une infection (atteinte de la moëlle osseuse, leucémie, etc) mais aussi à la prise de certains médicaments.

La question des défenses immunitaires est inséparable de la question des antigènes. De quoi s'agit-il ? Un antigène est un corps étranger au sens strict, un élément que l'organisme ne reconnaît pas car il est étranger à son patrimoine immunitaire; sa signature moléculaire n'est pas "cataloguée" et de ce fait aucune réponse immunitaire ne peut l'éradiquer.

Un antigène est généralement une molécule issue d'une contamination microbienne ou pathologique (par ex. un cancer) mais il peut également s'agir d'un produit environnemental (une substance polluante) ou un facteur allergène (pollens, poils, acariens, protéines, produits chimiques, etc) face auquel l'organisme est sans défense par nature ou de manière héréditaire.

Concrètement, lorsque l'organisme est confronté à un agent toxique, par exemple une protéine à laquelle il est allergique, une bactérie ou un virus pathogène qu'il ne reconnaît pas à travers ses récepteurs, il va subir son attaque avec le risque que des cellules saines soient détruites, mettant rapidement en péril la santé de son hôte. Rappelez-vous votre dernière maladie.

Pour éviter ce problème, lorsqu'il s'agit d'un antigène particulier, l'organisme va déclencher une réaction de défense du système immunitaire afin de constituer un antidote, en fait un anticorps spécifique qui va se combiner avec cet antigène grâce à des récepteurs antigéniques de façon à le neutraliser et protéger l'organisme.

Certains lymphocytes ayant de la mémoire (d'où leur utilisation pour fabriquer des vaccins), si le même virus tente à l'avenir une nouvelle attaque, l'organisme sera immunisé et y répondra en force sans même que son hôte s'en aperçoive ou à peine. En revanche, si le virus a fait mutation, tout le travail d'immunité sera à refaire.

Les chercheurs ont identifié près de 340 antigènes répartis dans 33 systèmes dont ABO (qui comprend les groupes A, B, AB et O), Rh (anciennement appelé Rhésus), Kell, etc.

Les globules rouges portent à leur surface les antigènes d'un groupe sanguin spécifique (A+, B+, AB, O) et les anticorps correspondants : anti-B pour l'antigène A du groupe A ou O, anti-A pour l'antigène B du groupe B ou O, anti-A et anti-B pour l'antigène O du groupe O et pas d'anticorps pour les antigènes A et B du groupe AB. Ces antigènes doivent être pris en considération lors d'une transfusion sanguine et lors d'une greffe. En effet, si le système immunitaire du patient ne reconnaît pas les antigènes du greffon, il rejettera l'organe au bout de quelques jours comme s'il s'agissait d'un parasite qu'il doit absolument détruire.

Le rejet est initié par les cellules du système immunitaire : les lymphocytes T, les anticorps et les cytokines (des médiateurs solubles) qui vont prendre pour cible les antigènes de transplantation du donneur portés par le greffon.

C'est pourquoi le premier transplanté cardiaque en 1967 ne survécut que 12 jours à son opération. Quand il s'agit du coeur ou du foie c'est plutôt ennuyeux... Aujourd'hui des médicaments peuvent heureusement y remédier comme la Scoptorine qui permet d'affaiblir les défenses immunitaires de l'organisme. Ce n'est pas la solution idéale mais c'est le prix de la vie.

A voir : L'Immunité du corps humain, La Bibliothèque Médicale

L'immunisation de l'organisme, S.Dhaoui

Document http://www.clevelandclinic.org/

Document http://www.drugdiscovery.co.uk/

En cas d'insuffisance cardiaque irréversible, un patient peut bénéficier d'une transplantation cardiaque. Avant cette opération, les médecins doivent s'assurer que le coeur du donneur sera accepté par le système immunitaire du patient et notamment que les antigènes sont compatibles.

Aujourd'hui, la probabilité de survie du receveur dépasse 90% à un an et sa durée de vie dépasse une dizaine d'années. L'implantation d'un coeur artificiel peut encore augmenter l'espérance de vie.

Destruction et réparation cellulaires

Comme tout organisme luttant pour survivre, la cellule eucaryote subit en permanence des stress, des agressions et des menaces du monde extérieur. Certaines agressions vont soit affecter les tissus cellulaires soit directement la structure de l'ADN. A l'image d'une "guerre totale", l'organisme va réagir en exploitant tout le potentiel de son système de défense immunitaire et de ses moyens de réparation.

Quels sont ces agents agressifs et parfois pathogènes ? Les agressions cellulaires sont initiées par des microbes (bactéries et virus) et des agents toxiques comme l'urée ou les radicaux libres de l'oxygène (des dérivés réactifs de l'oxygène) qui peuvent empoisonner et tuer les cellules s'ils ne sont pas éliminer.

D'autres agressions proviennent d'agents génotoxiques non ionisants tels que les champs électromagnétiques (ondes radios et UV solaires) ou ionisants comme la radioactivité et peuvent endommager l'ADN lors d'une exposition prolongée.

Heureusement et contrairement à un machine, un organisme vivant ne s'use pas ou très lentement car il a la faculté de s'auto-entretenir. Mais ces mécanismes de réparation et de régénérescence ont tout de même des limites qui dépendent de l'espèce, du type de lésion et de tissu.

Document Nadine Wiper-Bergeron/U.Ottawa.

Chez l'homme, dans le cas le plus simple d'une lésion superficielle limitée à l'épiderme, la plaie va se cicatriser d'elle-même. Un caillot de sang va tout d'abord se former sur la blessure pour endiguer l'écoulement de sang puis grâce à l'intervention de globules blancs (leucocytes et fibroplastes), de cellules épithéliales et de fibrilles de collagène notamment, la plaie va se résorber en quelques semaines.

Si la blessure est plus profonde, il faudra éventuellement réaliser une suture des lèvres de la plaie pour facilier la cicatrisation voire dans les cas extrêmes procéder à une greffe de tissu en prenant certaines précautions concernant les antigènes comme nous venons de l'expliquer.

Au niveau cellulaire, les agressions peuvent conduire à une destruction massive de cellules saines. Certaines cellules vont se rétablir avec le temps grâce à des balises d'alerte et des mécanismes internes de réparation parfois épaulés par des cellules souches.

Ainsi certains animaux (étoile de mer, crabe, poisson zèbre, verre de terre, salamandre, etc) peuvent être amputés d'un membre ou avoir un organe altéré suite à une agression mais grâce au pouvoir régénératif des cellules souches, ils retrouveront un nouveau membre ou un organe intact au bout de quelques mois (le crabe étant aidé par ses mues successives). Ce mécanisme de régénération est parfois tellement performant que le poisson zèbre (Danio rerio) par exemple bien connu des aquariophiles est capable de régénérer ses ailerons et même une altération de son muscle cardiaque.

En 2011, Gerritt Begemann et les chercheurs de l'Université de Constance en Allemagne, ont démontré que cette faculté de régénération fait appel à l'action de l'acide rétinoïque dont on ignorait jusqu'à présent le rôle précis (on sait qu'il s'agit d'une forme oxydée de la vitamine A dont il partage certaines fonctions et sert notamment à traiter les inflammations, l'acné et à prévenir certains cancers comme la leucémie).

Malheureusement, à l'inverse du poisson zèbre ou de la salamandre, malgré ou peut-être du fait de sa complexité, le corps humain n'est pas doté du pouvoir de régénération. En effet, une fois que les tissus organiques humains sont devenus adultes, soit peu après la période néonatale, les organes ne contiennent plus de cellules souches fonctionnelles : l'organisme n'a plus la capacité de régénérer ses tissus ni de reformer des organes comme peut le faire un foetus.

En revanche, à partir de cellules différenciées matures et donc spécifiques à un tissu ou un organe, par manipulation génétique et culture in vitro, les chercheurs peuvent réobtenir des cellules souches pluripotentes.

Prélèvement et usage des cellules souches.

C'est la raison pour laquelle la recherche génétique dans le domaine des cellules souches est si prometteuse car elle permet en théorie de régénérer des cellules même chez une personne très âgée et atteinte de maladie dégénérative (par ex. la maladie de Hunter qui affecte pratiquement tous les organes) et surtout de maladies neurodégénératives (maladie d'Alzheimer, de Parkinson, etc) parfois héréditaires.

A ce propos, le premier médicament obtenu à partir de cellules souches matures mésenchymateuses fut approuvé au Canada en 2012, c'est le Prochymal qu'on peut administrer dans le cas de la maladie du greffon contre l'hôte ou GVHD (Graft-Versus-Host Disease) liée au rejet du greffon.

En attendant que la thérapie génique soit généralisée, si la destruction des cellules est irréversible, par exemple suite à une infection virale qui souvent détruit les cellules hôtes, dans ce cas en plus de la maladie le sujet présentera des effets secondaires plus ou moins importants selon qu'il s'agit de cellules saines à croissance lente (par ex. les cellules du foie) ou rapide (cellules sanguines, muqueuse, peau, etc). Ces conséquences se rapprochent des effets secondaires de la radiothérapie qui, trop souvent encore, détruit des cellules saines.

Enfin, si des molécules d'ADN ont été endommagées, comme dans le cas des cellules saines abîmées, des balides d'alertes (dans ce cas-ci le gène HIRA notamment qui assure plusieurs fonctions, y compris dans l'embryogenèse) vont déclencher un mécanisme de reconstruction des molécules d'ADN altérées.

En revanche, si l'ADN est endommagé de manière irréversible, le sujet peut subir des mutations génétiques, soit de son vivant soit qu'il transmettra à sa descendance. Certains patients peuvent être traités par chimio ou radiothérapie et chirurgie afin de tuer ou d'extraire les cellules tumorales se développant de manière anarchique et accélérée, mais si la tumeur ou la malformation est importante, c'est souvent accompagné d'un handicap. Ceci dit, la médecine fait tous les jours des progrès.

Nous verrons dans l'article consacré aux bactéries et virus que ces microbes sont justement à l'origine de pas mal d'agressions et de maladies. C'est un univers peuplé de créatures très étranges, aussi utiles que dangereuses et dans tous les cas fascinantes par leurs facultés.

En guise de conclusion

Grâce à l'invention du microscope électronique et au développement des moyens informatiques, nous comprenons un peu mieux qu’hier comment fonctionne une cellule et comment combattre les agents infectieux.

A la mi-1990 par exemple, des chercheurs du MIT ont célébré un évènement historique en créant une molécule capable de s’auto-répliquer. En 2010, le généticien Graig Venter et son équipe ont créé une cellule bactérienne vivante à partir d'un génome de synthèse. Ces deux inventions rendent compte du travail colossal que les chercheurs ont accompli en l'espace d'un siècle en biologie moléculaire.

Complété par les travaux sur le génome et les cellules souches, si demain nous ne pourrons sans doute pas encore créer une cellule viable artificiellement, nous pourrons en tous cas utiliser son patrimoine génétique pour éradiquer bien des tares et des maladies dont nous sommes parfois porteurs.

Ceci dit, discutant dy système immunitaire et des maladies, on ne peut pas éluder les questions du tiers-monde et des médicaments qui seront abordées dans l'article consacré au développement durable.

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Pour plus d'informations

Sur ce site

Anatomie du corps humain

Bactéries et virus

Le rôle des virus dans l'évolution

Extraction de l'ADN d'une banane

Le génie génétique

Livres

L'Histoire du corps humain, Daniel Lieberman, JC.Lattès, 2015

Biologie, Peter Raven et al., de boeck, 2014

Biologie, Neil Campbell et al., Pearson, 2012

Biologie cellulaire et moléculaire, Gerald Karp, de boek, 2004/2010

Des premières bactéries à l'homme : L'histoire de nos origines, Jean-Claude Gall, L'Harmattan, 2009

Anatomie et physiologie humaines, René Lachaîne et Elaine N. Marieb, Pearson Education, 1992/2005

Le gène égoïste, Richard Dawkins, Mengès, 1978; Armand Colin, 1990; Odile Jacob, 2003

Des bactéries et des hommes, Willy Hansen et Jean Freney, Privat, 2002

Construire une cellule, Christian de Duve, de doeck, 1990/1997

Sur Internet

eBiologie

Les gènes et le comportement (cours de neurociences)

Les acides aminés (PDF), Michel Sève, U.Joseph Fourier

Le corps humain, René St-Jacques

Eléments de cytologie (SiO2)

Cours d'histologie, Marie Paule Defresne, ULiège

The CRISPR Journal (revue sur l'édition génomique)

U.S. National Library of Medecine

Visible Body, blog éducatif US

Pathology image resources, U.Utah

Ressources en biochimie, CHH-PS

Organisation Mondiale de la Santé, OMS.

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