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Définition de la différenciation cellulaire
La différenciation est le processus naturel par lequel une cellule moins spécialisée, c'est-à-dire une cellule souche, mûrit et devient plus distincte en termes de fonction et de forme.
Toutes les cellules d'un organisme contiennent le même ensemble d'instructions génétiques appelé génome. Ce qui détermine les caractéristiques uniques des différentes cellules, c'est la lecture de certaines sections de ces instructions. Les zones du génome qui sont nécessaires sont réduites au silence au cours du processus de différenciation.
Lesorganismes unicellulaires exécutent toutes leurs fonctions de base au sein d'une seule cellule. Pour une efficacité maximale dans chaque processus, une structure et une machinerie cellulaires uniques sont nécessaires. Aucune cellule ne peut offrir des conditions optimales pour toutes les fonctions.
Dans les organismes unicellulaires, les opérations relativement inefficaces effectuées par une seule cellule peuvent suffire, mais ce n'est pas le cas dans les organismes multicellulaires. Chaque cellule d'un organisme multicellulaire, du champignon à l'être humain, se spécialise de plusieurs façons pour remplir un rôle spécifique. Et les adaptations qu'elles acquièrent garantissent qu'elles sont aussi efficaces que possible dans l'exercice de leurs fonctions.
Ces activités peuvent être la contraction dans une cellule musculaire ou la conduite d'impulsions électriques dans un neurone.
Les cellules souches
Les cellules spécialisées résultent de la différenciation des cellules souches.
Lescellules souches sont les matières premières de l'organisme, les cellules qui ont le potentiel de donner naissance à tous les autres types de cellules ayant des formes et des fonctions spécifiques.
Toutes les cellules de la plupart des organismes multicellulaires, y compris les humains et la plupart des plantes, sont issues de la fécondation de deux gamètes de sexes biologiques opposés : un ovule et un spermatozoïde.
Lesgamètes ne contiennent que la moitié de l'information génétique de l'organisme dont ils sont issus. Par conséquent, la cellule formée par leur fusion (le zygote) possède la même quantité d'ADN que les autres organismes de la même espèce.
Le zygote est la première cellule souche d'un organisme.
Certaines cellules souches sont également présentes en petit nombre dans la plupart des tissus, comme la moelle osseuse, la peau et le tractus gastro-intestinal. Elles sont appelées cellules souches adultes et peuvent se transformer en une gamme plus étroite de cellules spécialisées en fonction du tissu dans lequel elles se trouvent. Le rôle principal des cellules souches adultes est de régénérer les cellules endommagées ou anciennes des tissus.
Fig. 1. Les cellules souches se différencient en cellules spécialisées qui remplissent des rôles spécifiques.
Différenciation et spécialisation des cellules
Laspécialisation cellulaire est le processus par lequel les cellules se différencient et se spécialisent pour remplir leur rôle dans un tissu, un organe et, finalement, dans l'organisme. Les cellules spécialisées ont des formes et des structures subcellulaires distinctes qui les aident à jouer leur rôle.
Les organismes multicellulaires peuvent contenir des centaines de types de cellules différents.
Les humains, par exemple, possèdent plus de 200 types différents de cellules spécialisées dans leur corps.
La spécialisation est un processus essentiel dans la croissance et la maturation des embryons. Au cours des premiers stades du développement, le zygote sub it plusieurs divisions mitotiques, ce qui donne naissance à un groupe de cellules communément appel éescellules souches embryonnaires. Ces cellules souches mûrissent et se différencient, se transformant en cellules spécialisées.
Le processus de différenciation cellulaire
Lescellules souches et les cellules spécialisées ont un contenu génétique identique. Alors que les cellules souches conservent la capacité d'exprimer chacun de leurs gènes, les cellules spécialisées perdent cette capacité. Elles ne peuvent exprimer que les gènes essentiels à leur viabilité et à leur fonctionnement.
Par exemple, le gène codant pour l'hémoglobine est actif dans les réticulocytes(précurseurs des globules rouges), mais ce gène est réduit au silence et ne s'exprime pas dans les neurones.
Larégulation de l'expression des gènes entraîne la différenciation des cellules. Lorsque les cellules expriment certains gènes qui définissent un type de cellule spécifique, on dit que la cellule s'est différenciée. Une fois qu'une cellule s'est différenciée, elle n'exprime plus que les gènes qui codent pour les protéines propres à ce type de cellule. Les facteurs impliqués dans la transcription et la traduction déterminent quels gènes restent actifs et lesquels sont réduits au silence.
Lesmodifications épigénétiques régulent également l'expression des g ènes en modifiant soit les gènes directement, soit les protéines associées aux gènes, en altérant l'accessibilité des enzymes impliquées dans la transcription à l'ADN.
La différence entre la différenciation et la division cellulaire
Ladifférenciation cellulaire est le processus par lequel les cellules se spécialisent pour remplir leur rôle. Une cellule exprimera des gènes particuliers pour se différencier. Une fois qu'une cellule est déterminée et s'est spécialisée, elleperd la capacité de se diviser par mitose. Les nouvelles cellules générées par la mitose des cellules souches peuvent se transformer en cellules spécialisées.
Lamitose est un type de division cellulaire qui se produit lorsque les cellules se divisent pour générer de nouvelles cellules identiques à leur cellule mère.
Lesorganismes vivants ont constamment besoin de développer de nouvelles cellules pour remplacer les cellules anciennes, endommagées ou mortes.
La différenciation cellulaire et la division cellulaire sont des termes totalement différents, même s'ils se ressemblent.
| Différenciation cellulaire | Division cellulaire (mitose) |
| Le processus de transformation des cellules souches indifférenciées en cellules spécialisées. | La division des cellules mères pour produire de nouvelles cellules filles identiques. |
| Aucune nouvelle cellule n'est créée. | De nouvelles cellules sont créées. |
Exemples de différenciation cellulaire
Il existe de nombreuses cellules différentes dans le corps qui peuvent être utilisées comme exemples de différenciation cellulaire. En voici quelques-uns, chez les animaux et les plantes, que nous allons examiner de plus près.
Les globules rouges
Lesglobules rouges (érythrocytes) proviennent de cellules souches adultes de la moelle osseuse rouge. Ces cellules souches, appelées cellules souches hémopoïétiques, sont le précurseur de toutes les cellules sanguines, y compris les lymphocytes, les neutrophiles, les basophiles et les plaquettes.
Lesérythrocytes sont des transporteurs d'oxygène dans le corps. Ils contiennent de grandes quantités d'hémoglobine, une protéine qui capte l'oxygène dans les poumons et l'achemine vers tous les tissus du corps. Au cours de leur différenciation, les érythrocytes perdent presque tous leurs organites, y compris le noyau et les mitochondries, ce qui laisse plus de place à l'hémoglobine pour maximiser leur capacité à transporter l'oxygène.
Les globules rouges adoptent également une structure biconcave, ce qui augmente leur surface d'échange de gaz et leur flexibilité pour passer dans les vaisseaux sanguins étroits.
Cellules musculaires
Lesmuscles sont des tissus essentiels chez les animaux qui permettent les mouvements. On trouve trois grands types de muscles : les muscles cardiaques, les muscles squelettiques et les muscles lisses.
Les cellules musculaires cardiaques sont situées dans le cœur et, en se contractant de façon autonome, pompent le sang dans tout le corps.
Les muscles squelettiques sont attachés aux os par des tendons et font bouger les membres et les autres structures squelettiques sous contrôle volontaire.
Les muscles lisses tapissent les parois des vaisseaux sanguins et du tractus gastro-intestinal (GI ) et se contractent sous l'effet du système nerveux autonome pour réguler la pression sanguine et le flux de nourriture dans le tractus gastro-intestinal.
Les cellules de ces trois types de muscles partagent plusieurs adaptations à leurs rôles. Il s'agit de :
La capacité de se contracter et de se raccourcir avec force. Cette capacité de contraction est rendue possible par les filaments de protéines appelés actine et myosine qui glissent l'un sur l'autre, contractant ainsi la cellule.
Laréponse aux signaux du système nerveux et des neurones.
L'extensibilité, qui est la capacité à s'étirer ou à s'étendre.
La capacité élastique de revenir à sa longueur de repos après une extension ou une contraction.
Contenant un grand nombre de mitochondries, la centrale électrique de la cellule, pour fournir l'énergie nécessaire à la contraction.
Cellules ciliées
Lescellules ciliées, situées dans les racines des plantes, sont des cellules spéciales qui absorbent l'eau et les minéraux du sol. Elles possèdent un grand nombre de mitochondries et de nombreuses extensions cellulaires qui leur donnent une grande surface. Ces adaptations permettent aux cellules ciliées d'absorber efficacement les nutriments, même contre leur gradient de concentration.
Fig. 2 - Les cellules ciliées des racines possèdent de longs prolongements et de nombreuses mitochondries. Ces adaptations permettent à ces cellules d'absorber efficacement l'eau et les minéraux du sol.
Cellules du xylème et du phloème
Les cellules duxylème sont des cellules mortes spécialisées dans les plantes qui transportent l'eau depuis les racines jusqu'aux feuilles en passant par la tige. Ces cellules sont creuses et ont une forme allongée, formant des tubes appelés xylème. Leur absence d'organites ou de cytoplasme permet à l'eau de circuler librement à travers elles.
Les cellules du xylème sont tapissées de lignine, un polymère inexpugnable qui maintient l'eau à l'intérieur des tubes. Le long du xylème se trouvent des points spécifiques appelés fosses, où la lignine est absente ou très fine. L'eau s'écoule à travers ces fosses, voyageant vers les tissus environnants.
Contrairement aux cellules du xylème, les cellules du phloème sont des cellules vivantes qui transportent les sucres fabriqués lors de la photosynthèse des feuilles vers toutes les parties de la plante. Les cellules du phloème sont constituées de cellules criblées reliées entre elles et empilées les unes sur les autres. Ces cellules criblées partagent une plaque criblée hautement perforée pour faciliter le mouvement des matériaux d'une cellule à l'autre. Ces cellules vivantes ont un cytoplasme limité et n'ont pas de noyau pour maximiser leur capacité de transport.
Pour cette raison, elles dépendent des cellules voisines, appelées cellules compagnes, pour générer l'énergie et les protéines nécessaires à leur survie et à leur fonctionnement.
Fig. 3 - Les cellules du xylème et du phloème sont des cellules de transport spécialisées dans les plantes. Les cellules mortes du xylème transportent l'eau vers le haut à partir de la racine, tandis que les cellules du phloème déplacent les sucres des feuilles vers toutes les parties de la plante.
Différenciation cellulaire - Principaux enseignements
La différenciation est le processus naturel par lequel une cellule moins spécialisée, c'est-à-dire une cellule souche, mûrit et devient plus distincte en termes de fonction et de forme.
Toutes les cellules d'un organisme contiennent le même ensemble d'instructions génétiques appelé génome. Le contrôle de l'expression des gènes est le moteur de la différenciation cellulaire.
Les cellules spécialisées sont formées à partir de la différenciation des cellules souches.
Les cellules souches ont le potentiel de donner naissance à tous les autres types de cellules ayant des formes et des fonctions spécifiques.
Lesglobules rouges, lescellules musculaires, lescellules des poils desracines, les cellules du xylèmeet du phloèmesont quelques exemples de cellules spécialisées.
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