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Les cellules souches : découverte, fonctionnalités et types de CS
Découverte et historique
La découverte et les réflexions sur les cellules souches sont des concepts très récents à l’échelle humaine. Le terme « cellule souche » (abrévié « CS ») fut employé la première fois par un médecin et scientifique allemand qui travaillait principalement en biologie du développement, Ernst Haeckel (1834-1919). Dans une de ces lectures (Haeckel 1868), il utilisa le terme allemand « Stammzelle » («stem cell » en anglais) pour désigner un ancêtre phylogénique des organismes pluricellulaires. Par la suite, en 1877, il ajusta la définition du terme afin de désigner également l’œuf fertilisé en tant que cellule d’origine de toutes les cellules d’un organisme. Cette définition fut par la suite reprise et popularisé dans le domaine de l’embryologie et de la zoologie, par des médecins et scientifiques élèves de Haeckel, tel que Oscar et Theodor Boveri (1862-1915) (Boveri 1892). Cependant, ceux-ci ne considéraient pas la recherche sur les cellules souches comme prioritaire. Dans les décennies suivantes, le concept fut repris et développé, avec cependant des variations dans sa définition précise. Cependant, Boveri donna des caractéristiques cellulaires essentielles pour être considéré comme une cellule souche, encore acceptées de nos jours : la capacité d’autorenouvellement, et la capacité à se différencier en cellules somatiques ou germinales spécifiques. Les bases de la biologie moderne des cellules souches étaient jetées. Au début des années 1900, Alexander Maximov (1874-1928), médecin et scientifique russe, proposa que tous les lignages hématopoïétiques originaient du lymphocyte au cours de l’embryogenèse, mais aussi tout au long de la vie de l’individu. Ce fut la première notion de cellule souche adulte, étendue hors du domaine de l’embryogenèse (Maximow 1909). En 1961, James Till et Ernest McCulloch ont apporté une contribution majeure dans la démonstration fonctionnelle de la présence de cellules souches adultes. Après avoir irradié des souris avec une dose supralétale de radiation, ils ont injecté des quantités croissantes de cellules de moelle osseuse par voie intraveineuse. Dix jours après l’injection, ils ont observé la formation de nodules de cellules prolifératives dans la rate des animaux. Ces colonies, qu’ils supposèrent d’origine clonale au vu du très faible nombre de cellules injectées, comprenaient des cellules érythroblastiques et myéloblastiques, confirmant ainsi la présence de cellules hématopoïétiques capable de former des colonies (CFU ou Colony-Forming Unit) et de se différencier en différents lignages (Till & Mc Culloch 1961).
Dans les années 70, Howard Green (1925-2015) fut un des pionniers de la culture de kératinocytes. Avec son collaborateur James Rheinwald, ils identifièrent et isolèrent depuis un tératome de souris une lignée présentant une morphologie épithéliale et parvinrent à la cultiver en présence de couches nourricières de fibroblastes murins 3T3 irradiés (Rheinwald & Green 1975a, Rheinwald & Green 1975b). Par la suite, Green poursuivit ses travaux et apporta des contributions majeures dans la compréhension de la biologie des précurseurs épidermiques (Barrandon & Green 1987b), de leur culture (Green et al 1979) et leurs applications en thérapie pour les soins aux grand brulés (Gallico et al 1984b).
Définition et caractéristiques d’une cellule souche
Au fil des années et des découvertes successives dans les différents modèles de cellules souches, les scientifiques ont proposé successivement des définitions et caractéristiques pour une cellule souche. Cependant, du fait de la grande diversité, d’une part, des modèles étudiés (souris, humain, drosophile, nématode) et d’autre part, des cellules étudiées (embryonnaires, hématopoïétiques, neurales ou encore épithéliales), il est difficile de définir de manière générale une cellule souche avec précision. L’une des définitions qui semble la plus pertinente est une définition par les caractéristiques fonctionnelles de ces cellules (Potten & Loeffler 1990). Dès lors, il faut donc tester ces fonctions lors d’expériences, qui par nature peuvent les influencer et les modifier. Néanmoins, en recoupant les études précédentes, il est possible de dégager plusieurs caractéristiques génériques définissant une cellule souche. Les deux premières sont les caractéristiques fondamentales, partagées par toutes les cellules souches (autorenouvellement et potentiel de différenciation). La dernière (quiescence) peut dépendre du type cellulaire, de la localisation des cellules ou encore de conditions particulaires (blessure, développement …).
L’autorenouvellement et la division asymétrique
La caractéristique la plus fondamentale permettant de définir une cellule souche est sa capacité à s’autorenouveler. L’autorenouvellement est un processus aboutissant au maintien d’un nombre constant de CS au sein du tissu qui les abritent. Quand une CS se divise, elle génère deux nouvelles cellules filles, de fonction identique (deux cellules souches) ou différente (une cellule souche et un progéniteur). Un concept directement associé au processus d’autorenouvellement est donc celui de la symétrie de la division lors de la mitose. Lorsqu’une cellule souche se divise, elle donne naissance à deux autres cellules. Les cellules filles peuvent être deux cellules souches immatures, de fonction identique (division symétrique) ou une cellule souche et une cellule plus différenciée qui va proliférer activement pendant quelques cycles de division (cellule d’amplification transitoire, ou TransitAmplifying (TA) cell) pour donner un grand nombre de cellules différenciées (CD) .
Ce mécanisme est essentiel dans la biologie des cellules souches, puisqu’il permet, en condition d’homéostasie, de maintenir la population de cellule souche, mais aussi de temporairement augmenter celle-ci en cas de nécessité, en situation de cicatrisation par exemple, où de nombreuses cellules sont nécessaire à la réparation du tissu lésé. Les mécanismes qui déterminent le choix d’une cellule à se diviser de manière asymétrique sont régis notamment par l’orientation du fuseau mitotique. Le modèle qui a permis d’en apprendre le plus sur ces mécanismes est le neuroblaste de drosophile (Horvitz & Herskowitz 1992). Ce modèle est intéressant car il permet d’étudier le devenir de cellules souches pendant la neurogenèse embryonnaire en observant les mitoses consécutives, nombreuses lors du développement. Chez les mammifères, l’étude de la division asymétrique est techniquement plus difficile à réaliser, car les cellules souches adultes ont souvent des cycles cellulaires très longs, voir sont en état de quiescence. Cependant, le modèle de référence reste le développement de l’épiderme de souris, où les cellules de la couche basale peuvent effectuer des divisions symétriques ou asymétriques. Ainsi, dans l’épiderme, les divisions symétriques permettent le maintien du nombre de CS (homéostasie) ou l’augmentation de la surface de celui-ci lors du développement (Poulson & Lechler 2010). La division asymétrique quant à elle contribue directement à la stratification de l’épiderme et à la différenciation des kératinocytes en poussant les kératinocytes en position apicale, générant ainsi les couches suprabasales de l’épiderme (Lechler & Fuchs 2005) .
La nature de la division est gouvernée par l’orientation du fuseau mitotique : si le fuseau est parallèle à la membrane basale, la division sera symétrique. Si le fuseau est perpendiculaire, la division sera asymétrique. L’orientation du fuseau semble être contrôlée par deux mécanismes différents : l’un intrinsèque à la cellule (ségrégation de déterminants moléculaires), l’autre extrinsèque (environnement de la cellule au moment de la division) .
Les mécanismes intrinsèques à la cellule reposent sur une ségrégation inégale des régulateurs de l’autorenouvellement lors de la mitose, résultant dans la répartition asymétrique de ceux-ci dans les deux cellules filles. Ce mécanisme induit une différence de fonctionnalités entre les deux cellules filles. Les cellules qui se divisent asymétriquement par ce mécanisme utilisent la polarité apico-basal ou planaire du tissu environnant pour définir un axe de polarité (Fleming et al 2007). Cet axe est ensuite utilisé pour répartir les déterminants moléculaires dans les cellules filles, de manière à ce qu’une seule des deux cellules filles héritent de ceux-ci . De nombreux régulateurs de l’autorenouvellement ont été identifiés, principalement dans les neuroblastes de drosophile. Il peut s’agir par exemple du complexe protéique Par (Kuchinke et al 1998, Petronczki & Knoblich 2001, Schober et al 1999, Wodarz et al 1999), qui adresse d’autres régulateurs dans le pôle basal des neuroblastes, de Numb (Rhyu et al 1994), un répresseur de la voie Notch, ou encore de Prospero et Inscutable. Les mécanismes de régulation intrinsèque sont des processus largement conservés au cours de l’évolution, et les régulateurs de l’autorenouvellement ont donc généralement des analogues dans les autres espèces, notamment les mammifères (Betschinger & Knoblich 2004, Lechler & Fuchs 2005).
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Table des matières
INTRODUCTION
Etat de l’art
La peau
I.1 Fonctions et structures de la peau
I.1.A Fonctions
I.1.B Structure et organisation
I.1.C La peau murine : comparaisons avec la peau humaine
Les cellules souches : découverte, fonctionnalités et types de CS
II.1 Découverte et historique
II.2 Définition et caractéristiques d’une cellule souche
II.2.A L’autorenouvellement et la division asymétrique
II.2.B La capacité de différenciation
II.2.C La quiescence
II.3 Les différents types de cellules souches
II.3.A Les cellules souches embryonnaires
II.3.B Les cellules souches pluripotentes induites
II.3.C Les cellules souches adultes
Les cellules souches de l’épiderme
III.1 Les réservoirs de cellules souches épidermiques
III.1.A Les cellules souches du bulge
III.1.B Les cellules souches de l’EIF
Méthodes d’identification, d’enrichissement et marqueurs des CSK de l’EIF
IV.1 Identification des CSK par des tests fonctionnels
IV.1.A Le critère LRC
IV.1.B Identification par la capacité clonogénique
IV.1.C Identification par le potentiel à générer un tissu à long-terme
IV.1.D Identification par adhésion à des composants de la matrice extracellulaire
IV.2 Identification des CSK par des approches moléculaires
IV.2.A Identification par des marqueurs membranaires
IV.2.B Identification par des effecteurs moléculaires intracellulaires : voies de signalisations et facteurs de transcriptions
IV.2.C Vers un consensus pour l’identification des CSK ?
Culture des kératinocytes et applications en thérapie cellulaire
V.1 Méthodes de cultures
V.1.A Méthode de culture « historique » : couches nourricières et sérum
V.1.B Evolution vers des milieux standardisés : milieux sans sérum et sans couches nourricières ?
V.1.C Problématiques biologiques associées aux méthodes de culture
V.2 De la culture vers les applications biomédicales : la greffe de peau reconstituée
V.2.A La greffe de peaux reconstituées
V.2.B Les défis de la thérapie cellulaire cutanée
Voies de signalisation et gènes « stemness » : contrôle du statut de cellule souche
VI.1 Recherche d’un profil d’expression commun à toutes les CS
VI.2 Voies de signalisation « stemness »
VI.2.A La voie Wnt/β-caténine : vue générale et fonctions dans la biologie de l’EIF
VI.2.B La voie TGF-Beta : vue générale et fonctions dans la biologie de l’EIF
Le facteur de transcription KLF4
VII.1 Description générale et structure de KLF4
VII.2 Processus physiologiques tissulaires associés à KLF4
VII.2.A Morphogenèse et homéostasie des tissus épithéliaux : hors épiderme
VII.2.B Morphogenèse et homéostasie de l’épiderme
VII.3 Fonctions majeures de KLF4
VII.3.A Contrôle du cycle cellulaire et inhibition de la prolifération
VII.3.B Promotion de la différenciation
VII.4 KLF4 et cellules souches
VII.4.A Cellules souches pluripotentes
VII.4.B Cellules souches adultes
VII.5 Dualité fonctionnelle de KLF4 dans la carcinogenèse
VII.6 Réseaux de signalisation régulant KLF4 et la biologie des cellules souches
VII.6.A KLF4 et TGF-β
VII.6.B KLF4 et Wnt
CONCLUSION
