426 trOiSiÈMe partie La génétique
cellules acquièrent de toute évidence des structures et des
fonctions différentes. Comme on vient de le voir, ces modifications observables résultent en fait du développement des
cellules à partir des premières divisions mitotiques du zygote.
Les premières modifications qui annoncent leur spécialisation
sont subtiles et ne se manifestent qu’au niveau moléculaire.
À une époque où ils connaissaient mal les phénomènes moléculaires ayant lieu dans les embryons, les biologistes ont
inventé le terme détermination pour désigner les événements menant à la différenciation observable d’une cellule.
Après avoir subi la détermination, celle-ci atteint le stade où
sa destinée est fixée de façon irréversible. Si on la déplaçait
dans un autre endroit dans l’embryon, une telle cellule se différencierait en cellules du type initialement fixé et n’aurait
pas les caractéristiques de ses voisines.
Actuellement, la notion de détermination fait référence à
des modifications moléculaires. La détermination, la différenciation cellulaire observable, se manifeste par l’expression
des gènes codant pour les protéines spécifiques aux tissus. Ces
protéines n’existent que dans certains types de cellules en
particulier et leur confèrent la structure et les fonctions qui
leur sont propres. Le premier signe de différenciation est
l’apparition de l’ARNm correspondant à ces protéines. Plus
tard, cette différenciation s’observe au microscope sous la
forme de modifications de la structure cellulaire. À l’échelle
moléculaire, différents groupes de gènes sont exprimés séquentiellement d’une manière régulée alors que de nouvelles
cellules sont formées par division de leurs précurseurs. Un
certain nombre d’étapes de l’expression génique peuvent
être régulées au cours de la différenciation, la transcription
figurant parmi les plus importantes. Dans la cellule entièrement différenciée, la transcription demeure la principale
étape de régulation pour maintenir une expression génique
appropriée.
Les cellules différenciées ont pour fonction de produire les
protéines spécifiques à chaque tissu. Par exemple, à la suite
de la régulation transcriptionnelle, les cellules hépatiques
fabriquent de l’albumine, et les cellules d’un cristallin synthétisent des cristallines (voir la figure 18.11). Chez les Vertébrés, la différenciation des cellules des muscles squelettiques
est un autre exemple intéressant. De forme très allongée, ces
cellules comportent de nombreux noyaux enfermés dans une
seule membrane plasmique et contiennent des concentrations très élevées de protéines spécifiques au tissu musculaire.
On y trouve en effet des types particuliers de filaments de
myosine et de microfilaments d’actine (des protéines contractiles), ainsi que des protéines membranaires réceptrices des
stimulus en provenance des neurones.
Les cellules musculaires se développent à partir de cellules précurseurs embryonnaires ayant le potentiel de donner
divers types de cellules (cartilagineuses, adipeuses). Cependant, ces cellules précurseurs sont soumises à des conditions qui les destinent à devenir des cellules musculaires.
Bien que l’examen au microscope ne le révèle pas, elles
ont subi une détermination qui en fait des myoblastes. Au
bout d’un certain temps, ces myoblastes commencent à
produire de grandes quantités de protéines spécifiques aux
muscles. Ensuite, ils fusionnent et se transforment en cellules
mus culaires squelettiques matures, multinucléées et allongées (figure 18.18).
Pour élucider ce qui se passe à l’échelle moléculaire au
moment de la détermination des cellules musculaires, des
chercheurs ont cultivé des myoblastes et les ont analysés à
l’aide de techniques de biologie moléculaire (voir le chapitre 20). Après avoir isolé différents gènes, ils ont provoqué
leur expression dans une cellule précurseur embryonnaire
distincte. Ces cellules se sont différenciées en myoblastes et
en cellules musculaires dans lesquelles les chercheurs ont mis
en évidence plusieurs « gènes maîtres régulateurs » dont les
protéines destinent les cellules à devenir des cellules musculaires squelet tiques. Par conséquent, dans le cas des cellules
musculaires, les fondements moléculaires de la détermination
résident dans l’expression d’un ou de plusieurs gènes maîtres
régulateurs.
Pour mieux comprendre le déroulement de la détermination au cours de la différenciation des cellules musculaires,
nous étudierons le gène maître régulateur appelé myoD (pour
myoblast determination) (voir la figure 18.18). Ce gène code
pour la protéine MyoD, un facteur de transcription qui se lie
aux éléments de contrôle spécifiques (amplificateurs) de
divers gènes cibles et qui stimule leur expression (voir la
figure 18.9). Certains de ces gènes codent à leur tour pour
d’autres facteurs de transcription spécifiques aux muscles. La
protéine MyoD stimule également l’expression du gène myoD
lui-même, ce qui lui permet de continuer à exercer son
influence en maintenant la cellule dans son état différencié.
On peut supposer que tous ces gènes cibles comportent des
éléments de contrôle dans les amplificateurs reconnus par
la protéine MyoD ; ils sont donc soumis à une régulation
coordonnée. Enfin, les facteurs de transcription secondaires
activent les gènes des protéines, tels que la myosine et l’actine, qui confèrent aux cellules musculaires squelettiques
leurs propriétés caractéristiques.
La protéine MyoD mérite sa désignation de gène maître
régulateur. Les chercheurs ont montré qu’elle est même
capable de transformer certains types de cellules entièrement différenciées et autres que musculaires (adipeuses et
hépatiques) en cellules musculaires. Mais pourquoi cette
protéine n’agit-elle pas sur tous les types de cellules ? Une
explication plau sible est que l’activation des gènes spécifiques des muscles ne dépend pas uniquement de l’action de
MyoD ; elle nécessite une certaine combinaison de protéines
régulatrices, lesquelles seraient absentes des cellules qui ne
répondent pas à MyoD. Il est possible que la détermination
et la différenciation des autres types de tissus se déroulent
d’une façon similaire.
Nous avons maintenant vu comment différents programmes d’expression génique qui sont activés dans l’ovule
fécondé peuvent produire des cellules et des tissus différenciés. Mais, pour que les tissus fonctionnent efficacement
dans l’organisme dans son ensemble, le plan d’organisation
corporelle, c’est-à-dire la structure générale tridimensionnelle
de l’organisme, doit s’établir et se superposer au mécanisme
de différenciation. Nous allons maintenant étudier le fondement moléculaire de l’établissement du plan d’organisation
corporelle, en utilisant comme exemple un organisme amplement étudié, Drosophila melanogaster.
cellules acquièrent de toute évidence des structures et des
fonctions différentes. Comme on vient de le voir, ces modifications observables résultent en fait du développement des
cellules à partir des premières divisions mitotiques du zygote.
Les premières modifications qui annoncent leur spécialisation
sont subtiles et ne se manifestent qu’au niveau moléculaire.
À une époque où ils connaissaient mal les phénomènes moléculaires ayant lieu dans les embryons, les biologistes ont
inventé le terme détermination pour désigner les événements menant à la différenciation observable d’une cellule.
Après avoir subi la détermination, celle-ci atteint le stade où
sa destinée est fixée de façon irréversible. Si on la déplaçait
dans un autre endroit dans l’embryon, une telle cellule se différencierait en cellules du type initialement fixé et n’aurait
pas les caractéristiques de ses voisines.
Actuellement, la notion de détermination fait référence à
des modifications moléculaires. La détermination, la différenciation cellulaire observable, se manifeste par l’expression
des gènes codant pour les protéines spécifiques aux tissus. Ces
protéines n’existent que dans certains types de cellules en
particulier et leur confèrent la structure et les fonctions qui
leur sont propres. Le premier signe de différenciation est
l’apparition de l’ARNm correspondant à ces protéines. Plus
tard, cette différenciation s’observe au microscope sous la
forme de modifications de la structure cellulaire. À l’échelle
moléculaire, différents groupes de gènes sont exprimés séquentiellement d’une manière régulée alors que de nouvelles
cellules sont formées par division de leurs précurseurs. Un
certain nombre d’étapes de l’expression génique peuvent
être régulées au cours de la différenciation, la transcription
figurant parmi les plus importantes. Dans la cellule entièrement différenciée, la transcription demeure la principale
étape de régulation pour maintenir une expression génique
appropriée.
Les cellules différenciées ont pour fonction de produire les
protéines spécifiques à chaque tissu. Par exemple, à la suite
de la régulation transcriptionnelle, les cellules hépatiques
fabriquent de l’albumine, et les cellules d’un cristallin synthétisent des cristallines (voir la figure 18.11). Chez les Vertébrés, la différenciation des cellules des muscles squelettiques
est un autre exemple intéressant. De forme très allongée, ces
cellules comportent de nombreux noyaux enfermés dans une
seule membrane plasmique et contiennent des concentrations très élevées de protéines spécifiques au tissu musculaire.
On y trouve en effet des types particuliers de filaments de
myosine et de microfilaments d’actine (des protéines contractiles), ainsi que des protéines membranaires réceptrices des
stimulus en provenance des neurones.
Les cellules musculaires se développent à partir de cellules précurseurs embryonnaires ayant le potentiel de donner
divers types de cellules (cartilagineuses, adipeuses). Cependant, ces cellules précurseurs sont soumises à des conditions qui les destinent à devenir des cellules musculaires.
Bien que l’examen au microscope ne le révèle pas, elles
ont subi une détermination qui en fait des myoblastes. Au
bout d’un certain temps, ces myoblastes commencent à
produire de grandes quantités de protéines spécifiques aux
muscles. Ensuite, ils fusionnent et se transforment en cellules
mus culaires squelettiques matures, multinucléées et allongées (figure 18.18).
Pour élucider ce qui se passe à l’échelle moléculaire au
moment de la détermination des cellules musculaires, des
chercheurs ont cultivé des myoblastes et les ont analysés à
l’aide de techniques de biologie moléculaire (voir le chapitre 20). Après avoir isolé différents gènes, ils ont provoqué
leur expression dans une cellule précurseur embryonnaire
distincte. Ces cellules se sont différenciées en myoblastes et
en cellules musculaires dans lesquelles les chercheurs ont mis
en évidence plusieurs « gènes maîtres régulateurs » dont les
protéines destinent les cellules à devenir des cellules musculaires squelet tiques. Par conséquent, dans le cas des cellules
musculaires, les fondements moléculaires de la détermination
résident dans l’expression d’un ou de plusieurs gènes maîtres
régulateurs.
Pour mieux comprendre le déroulement de la détermination au cours de la différenciation des cellules musculaires,
nous étudierons le gène maître régulateur appelé myoD (pour
myoblast determination) (voir la figure 18.18). Ce gène code
pour la protéine MyoD, un facteur de transcription qui se lie
aux éléments de contrôle spécifiques (amplificateurs) de
divers gènes cibles et qui stimule leur expression (voir la
figure 18.9). Certains de ces gènes codent à leur tour pour
d’autres facteurs de transcription spécifiques aux muscles. La
protéine MyoD stimule également l’expression du gène myoD
lui-même, ce qui lui permet de continuer à exercer son
influence en maintenant la cellule dans son état différencié.
On peut supposer que tous ces gènes cibles comportent des
éléments de contrôle dans les amplificateurs reconnus par
la protéine MyoD ; ils sont donc soumis à une régulation
coordonnée. Enfin, les facteurs de transcription secondaires
activent les gènes des protéines, tels que la myosine et l’actine, qui confèrent aux cellules musculaires squelettiques
leurs propriétés caractéristiques.
La protéine MyoD mérite sa désignation de gène maître
régulateur. Les chercheurs ont montré qu’elle est même
capable de transformer certains types de cellules entièrement différenciées et autres que musculaires (adipeuses et
hépatiques) en cellules musculaires. Mais pourquoi cette
protéine n’agit-elle pas sur tous les types de cellules ? Une
explication plau sible est que l’activation des gènes spécifiques des muscles ne dépend pas uniquement de l’action de
MyoD ; elle nécessite une certaine combinaison de protéines
régulatrices, lesquelles seraient absentes des cellules qui ne
répondent pas à MyoD. Il est possible que la détermination
et la différenciation des autres types de tissus se déroulent
d’une façon similaire.
Nous avons maintenant vu comment différents programmes d’expression génique qui sont activés dans l’ovule
fécondé peuvent produire des cellules et des tissus différenciés. Mais, pour que les tissus fonctionnent efficacement
dans l’organisme dans son ensemble, le plan d’organisation
corporelle, c’est-à-dire la structure générale tridimensionnelle
de l’organisme, doit s’établir et se superposer au mécanisme
de différenciation. Nous allons maintenant étudier le fondement moléculaire de l’établissement du plan d’organisation
corporelle, en utilisant comme exemple un organisme amplement étudié, Drosophila melanogaster.