Biologie cellulaire et pathologie PDF

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L'homéostasie Professeru Lambert bac+3...

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Partie 1. Homéostasie Elise LAMBERT

L’homéostasie est un principe important pour la biologie cellulaire et la physiologie. Claude BERNARD a défini le concept d’homéostasie comme étant « tous les mécanismes vitaux quelque variés qu’ils soient, ayant toujours qu’un but, celui de maintenir l’unité des conditions de la vie dans le milieu intérieur ». La cellule, le tissu ou l’organisme doit maintenir des conditions internes à l’équilibre en subissant de nombreuses fluctuations venant de l’extérieur. Walter Bradford CANNON a lui créé le mot d’homéostasie, avec pour définition « l’équilibre dynamique qui nous maintient en vie » et qui correspond à la capacité d’un système à maintenir l’équilibre de son milieu intérieur, quelles que soient les contraintes externes. L’homéostasie n’implique pas que quelque chose soit au repos ou immobile mais que quelque chose revienne toujours à l’équilibre au grès des fluctuations. Chaque cellule contribue au maintien d’un environnement interne relativement stable. Exemple : variations des pics d’oxygène dissous dans l’eau au cours de la journée en dépendance de la photosynthèse notamment. Mais le taux d’oxygène dans les organismes vivants dans l’eau est stable, il y a donc un contrôle permettant de maintenir à l’équilibre le taux d’oxygène intérieur malgré la fluctuation extérieure. L’homéostasie est définie comme le maintien d’un environnement interne relativement stable, impliquant les notions de valeur de référence et de valeur limite.

On peut avoir des changements externes ou internes qui conduisent à des changements internes résultant à la perte de l’homéostasie. L’organisme doit compenser la valeur de référence, si cette compensation échoue, il y a induction d’une pathologie. Ce principe d’homéostasie est assuré par 1

différents messagers comme les hormones, les cytokines, les neurotransmetteurs, les potentiels d’action provoquant une réponse cellulaire. Mécanismes de rétroaction = c’est le mécanisme de contrôle utilisé pour maintenir l’homéostasie. On l’appelle aussi boucle de rétroaction. Il existe deux types de rétroaction : -

I.

Rétroaction négative : la cellule reçoit un signal qui va perturber son fonctionnement, elle va donc essayer d’inhiber ce signal Rétroaction positive : la cellule amplifie le signal initial pour accélérer le mécanisme déclenché

Rétrocontrôle négatif

Dans le but de maintenir l’homéostasie, le système de rétrocontrôle négatif doit être capable de : -

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Détecter les déviations par rapport à la normale dans un environnement interne qui se doit d’être maintenu autour d’une valeur de référence pour le système considéré. C’est le binôme détecteur/récepteur sensoriel qui permet cela. Intégrer cette information et la comparer avec la valeur de référence, c’est le rôle de l’intégrateur. Faire des ajustements appropriés dans le but de restaurer l’équilibre à la valeur de référence grâce à des effecteurs (régulateur en constance).

A) Régulation de la température corporelle Exemple de la régulation de la température corporelle. Quand la température corporelle augmente, le cerveau compare la température enregistrée à la valeur de référence. Un signal est envoyé pour compenser la fluctuation, ces signaux entrainent une vasodilation des vaisseaux pour que les vaisseaux superficiels se refroidissent et les glandes sudoripares sont activées. Si au contraire il fait froid, le centre de régulation envoie des signaux pour provoquer une vasoconstriction, des glandes sudoripares moins actives, une contraction du muscle pilo-érecteur et un grelottement pour que les muscles génèrent de l’énergie.

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B) Rétrocontrôle des voies de signalisation cellulaire Rétrocontrôle des voies de signalisation cellulaire : la cellule contrôle les différents signaux et doit rapidement effacer ce signal pour en capter de nouveau. La cellule doit rester sensible aux signaux de son environnement. La concentration d’AMPc est contrôlée par la phophodiestérase, l’arrestine permet un rétro-contrôle au niveau de la rhodopsine, on peut déphosphoryler des complexes de signalisation, enfin les récepteurs peuvent aussi être clivés ou internalisés ou encore subir des phosphorylations.

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Exemple des RCPG PTH1R

Le récepteur PTH1R est un récepteur du ligand PTH (hormone parathyroïdienne) qui est localisé essentiellement dans l’os et le rein. La glande para-thyroïdienne régule ainsi l’homéostasie du calcium extracellulaire et le turnover de l’os Différentes expériences ont été réalisées : -

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Une autoradiographie en présence de P32 sur des cellules rénales stimulées ou non par la PTH. On voit clairement un signal fort suite à la stimulation, il y a une induction de la phosphorylation du récepteur PTH1R. Analyse des différents sites de phosphorylations réalisée par LC-MS/MS (spectrométrie de masse). On a détecté des sites de phosphorylations intra et extra-cellulaires. Mutations des sites de phosphorylation trouvés précédemment puis analyse de la phosphorylation avec ou non une stimulation par PTH. Les mutations sur les clusters 1 et 2 inhibent la phosphorylation du récepteur. Etude de l’interaction entre l’arrestine-3 et le récepteur PTH1R par une méthode de FREP. Cette méthode est basée sur un rapprochement de deux fluorochromes. Le signal de FREP augmente en fonction du temps en conditions sauvages. L’interaction arrestine-3/PTH1R est plus faible si on mute le cluster 1 ou le cluster 2. Les mutations sur les clusters 1 et 2 empêchent l’interaction PTH1R et arrestine-3. 3

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Immunofluorescence avec détection de l’arrestine-3, détections des récepteurs PTH1R normal ou mutés et superposition pour étudier la co-localisation. Les mutations au niveau des clusters 1 et 2 empêchent partiellement l’internalisation du récepteur PTH1R parl’arestine-3 dans les vésicules endocytiques 40min après la stimulation et donc la boucle de rétrocontrôle négatif de aval voie de signalisation en aval

Le récepteur PTH1R conduit à une cascade de phosphorylations, qui conduit notamment à la MAPkinase (ERK 1/2). Très rapidement, suite à une stimulation à la PTH, il y une phosphorylation de ERK ½ qui diminue rapidement au cours du temps. Avec les différents mutants du récepteur PTH1R, l’inhibition de la phosphorylation de ERK ½ est beaucoup plus lente. La cellule est sans arrêt activée. Figures :

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Exemple de la déphosphorylation des complexes de signalisation

La protéine WAVE2 et son importance dans la migration cellulaire et la polarisation. -

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Stimulation des cellules avec du sérum puis migration sur un western blot. Induction de la phosphorylation de ERK ½ et ERK 2, cette phosphorylation diminue à partir de 30min de stimulation. Une deuxième condition est avec un inhibiteur de ERK ½ (= UO126). Il y a une phosphorylation de ERK ½ et de JNK de manière temps-dépendante. Le shift correspond à l’augmentation du poids moléculaire de la protéine qui augmente avec la phosphorylation. UO126 inhibe la phosphorylation de ERK ½ et le shift de WAVE2. ERRK ½ se situe en amont de WAVE2 et son activité est impliquée dans la phosphorylation de cette protéine. Etude de l’interaction WAVE2/ERK1/2 sur des cellules en scratch assay. On a une culture de cellule adhérentes à confluence = tapis cellulaire sur lequel on réalise un trou, les cellules par migration vont recouvrir la blessure. On peut donc analyser comme cela la polarité et la migration cellulaire. WAVE2 interagit de manière constitutive avec ERK ½. Suite à la réalisation de la blessure, il y a phosphorylation de ERK 1/2. Ce signal est provisoire et cyclique, phosphorylation ré-induite au cours du temps = cycle de phosphorylation. Marqueur par l’immunofluorescence, phalloïdine et GM130 (marqueur de l’appareil de golgi). L’appareil de Golgi se situe toujours localisé vers le sens de migration, il est polarisé si la cellule est polarisée. Cette expérience fut menée avec une protéine WAVE2 muté sur son site de phosphorylation et en présence ou non de différents inhibiteurs. La mutation de WAVE2 sur son site de phosphorylation (EGFP-AAA) inhibe la polarisation de la cellule. L’inhibition de ERK ½ et JNK perturbe également la polarisation des cellules après scratch-assay. - Analyse du recouvrement. Avec la protéine WAVE2 mutée, la blessure se referme mais de manière non contrôlée. On peut suivre chaque cellule en temps réel (time laps), avec la protéine WAVE2 muté les cellules ont un comportement moins bien orienté, il y a une accélération de la vitesse de recouvrement et une diminution de la persistance de la migration.

Figures :

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Exemple à l’échelle cellulaire : la balance autophagie/apoptose.

Autophagie = la cellule détecte des organites à éliminer dans son cytoplasme, l’incorporation dans un autophagosome des organites à éliminer suivie d’une fusion avec un lysosome.

Le réticulum endoplasmique a un rôle dans le métabolisme, le contrôle de la protéolyse et le contrôle de différents processus de signalisation, il a donc un rôle central dans le maintien de l’homéostasie. 6

La tunicamycine est un inducteur de stress du réticulum. Si ce stress est peu important, on a des marqueurs d’autophagie et d’apoptose qui ne varient pas. L’apoptose est détecté grâce au flip-flop de la phosphatidylsérine qui est détecté par un marquage à l’annexine-V-Fluos qui est un anticoagulant conjuguée à de la fluorescence. On induit une apoptose cellulaire avec un fort stress du réticulum.

 De trop fortes concentrations en inducteur de stress du réticulum perturbent la balance autophagie/apoptose en faveur de l’apoptose.

II.

Rétrocontrôle positif

Dans de rares situations physiologiques, au contraire, le système effecteur amplifie les variations de la grandeur réglée : il agit alors comme un régulateur en tendance et non un régulateur en constance. La finalité d’un tel régulateur est d’entretenir une variation de la grandeur réglée soit dans le sens d’un accroissement continu, soit dans le sens d’une diminution continue. Ce système fonctionne grâce à un rétrocontrôle positif. Ces régulateurs sont toujours couplés avec des régulateurs en constance, ceci évite que le système aboutisse à une impasse.

A) L’accouchement Lorsque la tête du fœtus pousse contre le col de l’utérus cela induit des impulsions nerveuses qui sont transmises au cerveau. Le cerveau stimule alors l’hypophyse qui produit de l’ocytocine qui est transporté par le sang jusqu’à l’utérus. L’ocytocine stimule les contractions utérines permettant l’accouchement. Le rétrocontrôle positif permet d’avoir un pic hormonal extrêmement important à un moment bien précis. Cette boucle de rétroaction positive est connue sous le nom de reflexe de Ferguson.

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B) L’allaitement Le phénomène de lactation est basé sur un rétrocontrôle positif basé sur l’information de la demande de lait par la tétée. Les ordres de production et d’éjection sont donc démultipliés. L’ocytocine et la prolactine sont les deux hormones permettant la lactation par les glandes mammaires.

III.

Rétrocontrôle génique

Le contrôle génique se base sur la communication intercellulaire. Il y a réception d’un ligand (messager primaire) sur son récepteur qui déclenche une voie de transduction faisant intervenir des messagers secondaires et aboutissant à une réponse cellulaire ou à une modification de l’expression d’un ou de plusieurs gènes. Il peut y avoir des régulations de manière positive ou négative sur les gènes. Dans une rétroaction génique négative, le gène code pour une protéine inhibant sa propre expression. Alors que dans une rétroaction génique positive, le gène code pour une protéine activant sa propre expression. Une rétroaction génique positive et négative existe, le gène code pour une protéine A activant la synthèse d’une protéine B inhibant l’expression du gène A.

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