Biologie moléculaire de la Cellule
Bruce Alberts
Alexander Johnson
Julian Lewis
David Morgan
Martin Raff
Keith Roberts
Peter Walter
Lavoisier
Chapitre 1 Cellules et génomes1
Les caractéristiques universelles des cellules sur la terre
2
Toutes les cellules stockent leur information génétique à l'aide du même code chimique linéaire : l'ADN2
Toutes les cellules reproduisent leur information génétique par polymérisation à partir d'une matrice3
Toutes les cellules transcrivent des portions de leur information génétique en une même forme intermédiaire : l'ARN4
Toutes les cellules utilisent les protéines comme catalyseurs5
Toutes les cellules traduisent l'ARN en protéines de la même manière6
Chaque protéine est codée par un gène spécifique7
La vie a besoin d'énergie libre8
Toutes les cellules sont des usines biochimiques qui utilisent les mêmes unités de construction moléculaires8
Toutes les cellules sont entourées d'une membrane plasmique à travers laquelle doivent passer les nutriments et les déchets8
Une cellule vivante peut exister avec moins de 500 gènes9
Résumé10
La diversité des génomes et l'arbre de la vie
10
Les cellules peuvent utiliser une grande variété de source d'énergie libre10
Certaines cellules fixent l'azote et le gaz carbonique pour les autres12
La plus grande diversité biochimique est trouvée parmi les cellules procaryotes12
L'arbre de la vie comporte trois branches primitives : les bactéries, les archéobactéries (archaea) et les eucaryotes14
Certains gènes évoluent rapidement ; d'autres sont très conservés15
La plupart des bactéries et des archéobactéries ont 1 000 à 6 000 gènes16
Les nouveaux gènes proviennent de gènes préexistants16
Les duplications de gènes donnent naissance à des familles de gènes apparentés dans une même cellule17
Les gènes peuvent être transférés d'un organisme à un autre, au laboratoire et dans la nature18
Les échanges horizontaux d'informations génétiques dans une espèce sont effectués par voie sexuelle19
La fonction d'un gène peut souvent être déduite de sa séquence20
Plus de 200 familles de gènes sont communes aux trois embranchements primaires de l'arbre phylogénétique20
Les mutations peuvent révéler les fonctions des gènes21
La biologie moléculaire s'est focalisée à ses débuts sur l'étude d'E. coli22
Résumé22
L'information génétique chez les eucaryotes
23
Les cellules eucaryotes étaient peut-être, à l'origine, des prédateurs24
Les cellules eucaryotes modernes ont évolué à partir d'une symbiose25
Les eucaryotes ont des génomes hybrides27
Les génomes des eucaryotes sont grands28
Les génomes des eucaryotes sont riches en séquences d'ADN régulatrices29
Le génome définit le programme de développement multicellulaire29
De nombreux eucaryotes vivent sous forme d'une cellule isolée30
Une levure sert de modèle eucaryote minimal30
Les niveaux d'expression de tous les gènes d'un organisme peuvent être analysés simultanément32
Arabidopsis a été choisi parmi 300 000 espèces comme modèle végétal32
Le mode des cellules animales est représenté par un ver, une mouche, un poisson, une souris et l'homme33
Les études sur la drosophile ont fourni une clé pour le développement des vertébrés33
Le génome des vertébrés est le produit de duplications répétées34
Le grenouille et le poisson zèbre fournissent des modèles accessibles pour le développement des vertébrés35
La souris est l'organisme modèle majeur des mammifères35
L'homme décrit lui-même ses propres particularités36
Nous sommes tous différents dans le détail38
Pour comprendre les cellules et les organismes, nous avons besoin de mathématiques, d'ordinateurs et d'informations quantitatives38
Résumé39
Références40
Chapitre 2 Chimie cellulaire et bioénergétique43
Les composants chimiques de la cellule
43
Les molécules d'eau sont maintenues ensemble par des liaisons hydrogène44
Quatre types d'interactions non covalentes facilitent le rapprochement des molécules dans la cellule44
Certaines molécules polaires forment des acides ou des bases dans l'eau45
Une cellule est formée de composés du carbone47
Les cellules contiennent quatre familles principales de petites molécules organiques47
La chimie de la cellule est dominée par des macromolécules aux propriétés remarquables47
Des liaisons non covalentes définissent à la fois la forme précise d'une macromolécule et sa fixation aux autres molécules49
Résumé50
Catalyse et utilisation de l'énergie par les cellules
51
Le métabolisme cellulaire est organisé par les enzymes51
L'ordre biologique est rendu possible par la libération d'énergie thermique par la cellule52
Les cellules obtiennent de l'énergie par oxydation des molécules organiques54
Oxydation et réduction mettent en jeu un transfert d'électrons55
Les enzymes abaissent les barrières d'énergie d'activation qui bloquent les réactions chimiques57
Les enzymes peuvent entraîner les molécules de substrat le long de voies de réaction spécifiques58
Comment les enzymes trouvent leurs substrats : la très grande rapidité des mouvements moléculaires59
La variation d'énergie libre d'une réaction, (...)G, détermine si cette réaction peut se produire spontanément60
La concentration en réactifs influence la variation d'énergie libre et le sens de la réaction61
Le changement d'énergie libre standard, (...)G°, permet de comparer l'énergétique de réactions différentes61
La constante d'équilibre et (...)G° sont faciles à déduire l'une de l'autre62
Les changements d'énergie libre des réactions couplées sont additifs63
Des molécules de transport activées sont indispensables pour les biosynthèses63
La formation d'un transporteur d'énergie activé est couplée à une réaction énergétiquement favorable64
L'ATP est la molécule de transport activée la plus utilisée65
L'énergie stockée dans l'ATP est souvent utilisée pour réunir deux molécules65
NADH et NADPH sont d'importants transporteurs d'électrons67
Il existe beaucoup d'autres molécules de transports activées dans les cellules68
La synthèse des polymères biologiques et entraînée par l'hydrolyse d'ATP70
Résumé73
Comment les cellules tirent leur énergie des aliments
73
La glycolyse est une voie métabolique centrale de production d'ATP74
La fermentation permet de produite de l'ATP en l'absence d'oxygène75
La glycolyse illustre la manière dont les enzymes couplent l'oxydation au stockage de l'énergie76
Les organismes stockent les molécules alimentaires dans des réservoirs spéciaux78
Entre les repas, la plupart des cellules animales tirent leur énergie des acides gras81
Les sucres et les graisses sont dégradés en acétyl CoA dans les mitochondries81
Le cycle de l'acide citrique génère du NADH par oxydation des groupements acétyle en CO282
Le transport d'électrons entraîne la synthèse de la majorité de l'ATP dans la plupart des cellules84
Les acides aminés et les nucléotides font partie du cycle de l'azote85
Le métabolisme est hautement organisé et régulé87
Résumé88
Références89
Chapitre 3 Protéines109
La forme et la structure des protéines
109
La forme d'une protéine est spécifiée par sa séquence d'acides aminés109
Les protéines ne replient en la conformation ayant la plus faible énergie114
L'hélice alpha et le feuillet bêta sont des types de repliement fréquents115
Les domaines protéiques sont des unités modulaires à partir desquelles des protéines plus grandes sont construites117
Parmi toutes les chaînes polypeptidiques théoriquement possibles, seul un petit nombre est utilisé par les cellules118
Les protéines peuvent être classées en un grand nombre de familles119
Certains domaines protéiques sont retrouvés dans de nombreuses protéines différentes121
Certaines paires de domaines sont retrouvées associées dans de nombreuses protéines122
Le génome humain code un ensemble complexe de protéines et nous révèle que beaucoup restent encore mystérieuses122
Les plus grosses molécules protéiques contiennent souvent plus d'une chaîne polypeptidique123
Certaines protéines globulaires forment de longs filaments hélicoïdaux123
De nombreuses molécules protéiques ont des formes allongées et fibreuses124
Certaines protéines contiennent une quantité étonnamment grande de chaînes polypeptidiques intrinsèquement désordonnées125
Les protéines extracellulaires sont stabilisées par des liaisons transversales covalentes127
Les protéines servent souvent de sous-unités d'assemblage pour former de grosses structures127
Beaucoup de structures cellulaires peuvent s'auto-assembler128
La formation de structures biologiques complexes est souvent facilitée par des facteurs d'assemblage130
Des fibrilles amyloïdes peuvent se former à partir de nombreuses protéines130
Les structures amyloïdes peuvent remplir des fonctions utiles dans les cellules132
Beaucoup de protéines contiennent des domaines de faible complexité qui peuvent former des « amyloïdes réversibles »132
Résumé134
Fonction des protéines
134
Toutes les protéines peuvent se fixer à d'autres molécules134
La conformation de la surface d'une protéine détermine son activité chimique135
La comparaison des séquences des membres d'une famille de protéines fait reconnaître des sites de fixation décisifs136
Les protéines peuvent se fixer à d'autres protéines par l'intermédiaire de plusieurs types d'interfaces137
Les sites de fixation des anticorps sont particulièrement polyvalents138
La force de fixation est mesurée par la constante d'équilibre138
Les enzymes sont des catalyseurs puissants et hautement spécifiques140
La fixation du substrat est la première étape de la catalyse enzymatique141
Les enzymes accélèrent les réactions en stabilisant sélectivement les états de transition141
Les enzymes peuvent utiliser simultanément la catalyse acide et la catalyse basique144
Le lysozyme illustre le fonctionnement d'une enzyme144
De petites molécules fortement fixées ajoutent des fonctions supplémentaires aux protéines146
Les complexes multienzymatiques permettent d'accélérer le métabolisme cellulaire148
La cellule régule l'activité catalytique de ses enzymes149
Les enzymes allostériques possèdent deux ou plusieurs sites de fixation qui interagissent151
Deux ligands dont les sites de fixation sont couplés doivent modifier réciproquement la fixation de l'un et de l'autre151
Un assemblage symétrique de protéines entraîne des transitions allostériques coopératives152
De nombreux changements des protéines sont produits par phosphorylation153
Une cellule eucaryote contient une grande collection de protéine kinases et de protéine phosphatases154
La régulation de la protéine kinase Src montre qu'une protéine peut fonctionner comme un microprocesseur électronique155
Les protéines qui fixent le GTP et l'hydrolysent sont des régulateurs cellulaires ubiquitaires156
Les protéines régulatrices GAP et GEF contrôlent l'activité des protéines fixant la GTP en déterminant si c'est un GTP ou un GDP qui est fixé157
Des protéines peuvent être régulées par l'addition covalente d'autres protéines157
Un système élaboré de conjugaison à l'ubiquitine est utilisé pour marquer les protéines158
Les complexes protéiques avec leurs parties interchangeables utilisent efficacement l'information génétique159
Une protéine fixant le GTP montre comment de grands mouvements de protéines peuvent être générés160
Les moteurs protéiques produisent de grands mouvements dans les cellules161
Des transporteurs attachés à la membrane exploitent de l'énergie pour pomper des molécules à travers les membranes163
Les protéines forment souvent de gros complexes qui fonctionnent comme des machines protéiques164
Des échafaudages concentrent des ensembles de protéines interactives164
Beaucoup de protéines sont contrôlées par des modifications covalentes qui les dirigent vers des sites spécifiques à l'intérieur de la cellule165
Un réseau complexe d'interactions protéiques est à la base du fonctionnement cellulaire166
Résumé169
Références170
Chapitre 4 ADN, chromosomes et génomes173
La structure et fonction de l'ADN
175
Une molécule d'ADN est composée de deux chaînes complémentaires de nucléotides175
La structure de l'ADN fournit un mécanisme à l'hérédité177
Chez les eucaryotes, l'ADN est enfermé dans le noyau de la cellule178
Résumé179
L'ADN chromosomique et son empaquetage dans la fibre de chromatine
179
L'ADN eucaryote est empaqueté dans un ensemble de chromosomes180
Les chromosomes contiennent de longues files de gènes182
La séquence des nucléotides du génome humain indique comment les gènes sont disposés chez l'homme183
Chaque molécule d'ADN formant un chromosome linéaire doit contenir un centromère, deux télomères et des origines de réplication185
Les molécules d'ADN sont très condensées dans les chromosomes187
Les nucléosomes sont les unités de structure de base des chromosomes eucaryotes187
La structure de la particule coeur de nucléosome révèle le mode d'empaquetage de l'ADN188
Les nucléosomes ont une structure dynamique et sont souvent soumis à des modifications catalysées par des complexes de remodelage de la chromatine dépendants de l'ATP190
Les nucléosomes sont généralement empaquetés ensemble pour former une fibre de chromatine compacte191
Résumé193
Structure et fonction de la chromatine194
L'hétérochromatine est hautement organisée et restreint l'expression des gènes194
L'état hétérochromatique s'autopropage194
Les histones du coeur subissent des modifications covalentes sur de nombreux sites différents196
La chromatine acquiert une diversité supplémentaire par l'insertion d'un petit ensemble de variants d'histones198
Les modifications covalentes et les variants d'histones agissent de concert pour contrôler les fonctions chromosomiques198
Un complexe de protéines de lecture et d'écriture peut propager des modifications spécifiques de la chromatine le long d'un chromosome199
Des séquences d'ADN garde-fou bloquent la propagation des complexes de lecture-écriture et séparent ainsi des domaines de chromatine voisins202
La chromatine des centromères révèle comment les variants d'histones peuvent générer des structures particulières203
Certaines structures chromatiniennes peuvent être directement transmises par hérédité204
Des expériences sur les embryons de grenouille suggèrent que les deux structures de la chromatine, activatrice et répressive, peuvent être héritées épigénétiquement205
Les structures de la chromatine sont importantes pour la fonction des chromosomes eucaryotes206
Résumé207
La structure globale des chromosomes
207
Les chromosomes sont repliés en larges boucles des chromatine207
Les chromosomes polytènes sont exceptionnellement utiles pour visualiser des structures de la chromatine208
Il existe de nombreuses formes de chromatine210
Les boucles de chromatine se décondensent quand les gènes qu'elles contiennent sont exprimés211
La chromatine peut se déplacer vers des sites spécifiques du noyau afin d'altérer l'expression des gènes212
Des réseaux de macromolécules forment un ensemble d'environnements biochimiques distincts à l'intérieur du noyau213
Les chromosomes mitotiques sont très hautement condensés214
Résumé216
Comment évoluent les génomes
216
Les comparaisons génomiques identifient les séquences d'ADN fonctionnelles par leur conservation tout au long de l'évolution217
Des altérations du génome peuvent être causées par des échecs dans les mécanismes normaux de copie et d'entretien de l'ADN, et aussi par des éléments transposables d'ADN217
Les différences entre les séquences des génomes de deux espèces sont proportionnelles à la durée pendant laquelle celles-ci ont évolué séparément218
Les arbres phylogénétiques construits par comparaison des séquences ADN permettent d'établir les relations de parenté de tous les organismes219
La comparaison des chromosomes humains et de souris montre comment les structures des génomes divergent221
La taille du génome d'un vertébré reflète les vitesses relatives des additions et des pertes d'ADN dans une lignée222
Nous pouvons inférer la séquence de quelques génomes anciens223
La comparaison de séquences provenant de nombreuses espèces a permis d'identifier de longues séquences ADN à fonction inconnue224
Des changements dans des séquences antérieurement bien conservées peuvent aider à déchiffrer les étapes critiques de l'évolution226
Des mutations dans les séquences d'ADN qui contrôlent l'expression des gènes ont entraîné un grand nombre de changements évolutifs chez les vertébrés227
La duplication des gènes est aussi une source importante de nouveauté génétique au cours de l'évolution227
Les gènes dupliqués divergent228
L'évolution de la famille des gènes de la globine montre comment les duplications de l'ADN contribuent à l'évolution des organismes229
Des gènes codant de nouvelles protéines peuvent être créés par recombinaison d'exons230
Des mutations neutres se disséminent souvent et finissent par se fixer dans une population, avec une probabilité qui dépend de la taille de cette population230
L'analyse des différences génétiques entre les hommes peut beaucoup nous apprendre232
Résumé234
Références235
Chapitre 5 Réplication, réparation et recombinaison de l'ADN237
Le maintien des séquences d'ADN
237
Les taux de mutations sont extrêmement bas237
Des taux bas de mutations sont nécessaires à la vie telle que nous la connaissons238
Résumé239
Les mécanismes de la réplication de l'ADN
239
L'appariement des bases est à l'origine de la réplication et de la réparation de l'ADN239
La fourche de réplication de l'ADN est asymétrique240
La haute fidélité de la réplication de l'ADN requiert plusieurs mécanismes de vérification (proofreading)242
Seule la réplication de l'ADN dans le sens 5' vers 3' permet une correction efficace des erreurs244
Une enzyme particulière catalysant la polymérisation de nucléotides synthétise de courtes molécules d'ARN amorce sur le brin retardé245
Des protéines particulières facilitent l'ouverture de la double hélice d'ADN en avant de la fourche de réplication246
La molécule d'ADN polymérase qui se déplace maintient l'ADN en place grâce à un anneau coulissant246
Les protéines situées à la fourche de réplication coopèrent pour former la machine réplicative249
Un système de réparation des mésappariements contrôlé par le brin d'ADN enlève les erreurs de réplication qui ont échappé à la machinerie de réplication250
Les ADN topoisomérases empêchent l'ADN de s'emmêler pendant la réplication251
La réplication de l'ADN est fondamentalement similaire chez les eucaryotes et les bactéries253
Résumé254
L'initiation et la terminaison de la réplication de l'ADN dans les chromosomes
254
La synthèse de l'ADN commence aux origines de réplication254
Les chromosomes bactériens n'ont généralement qu'une seule origine de réplication de l'ADN255
Les chromosomes eucaryotes contiennent de multiples origines de réplication256
Chez les eucaryotes, la réplication de l'ADN ne s'effectue que pendant une partie du cycle cellulaire258
Différentes régions du même chromosome se répliquent à des moments différents au cours de la phase S258
Un grand complexe comportant de multiples sous-unités se fixe sur les origines de réplication des eucaryotes259
Les caractéristiques du génome humain qui spécifient les origines de réplication restent à découvrir260
De nouveaux nucléosomes sont assemblés à l'arrière de la fourche de réplication261
La télomérase réplique les extrémités des chromosomes262
Les télomères sont emballés dans des structures spécialisées qui protègent sont emballés dans des structures spécialisées qui protègent les extrémités des chromosomes263
La longueur du télomère est contrôlée par les cellules et les organismes264
Résumé265
La réparation de l'ADN
266
Sans réparation de l'ADN, les lésions spontanées de l'ADN modifieraient rapidement les séquences d'ADN267
La double hélice d'ADN est facilement réparée268
Les dommages de l'ADN peuvent être éliminés selon plusieurs voies269
Le couplage de la réparation par excision de nucléotides à la transcription permet une réparation efficace de l'ADN le plus important pour la cellule271
La nature chimique des bases de l'ADN facilite la détection des dommages271
Des ADN polymérases translésionnelles spéciales sont utilisées dans les situations d'urgence273
Les cassures double brin sont efficacement réparées273
Les dommages causés à l'ADN retardent la progression du cycle cellulaire276
Résumé276
La recombinaison homologue
276
La recombinaison homologue a des caractéristiques communes dans toutes les cellules277
La recombinaison homologue est guidée par l'appariement des bases de l'ADN277
La recombinaison homologue peut réparer sans faute une cassure totale d'ADN double brin278
L'échange de brin est effectué par la protéine RecA/Rad51279
La recombinaison homologue peut sauver des fourches de réplication d'ADN cassées280
Les cellules contrôlent avec soin le recours à la recombinaison homologue pour réparer l'ADN280
La recombinaison homologue est cruciale pour la méiose282
La recombinaison méiotique commence par une cassure double brin programmée282
Les jonctions de Holliday sont formées lors de la méiose284
La recombinaison homologue produit à la fois des événements de crossing-over et de non-crossing-over durant la méiose284
La recombinaison homologue a souvent comme résultat une conversion génique286
Résumé286
Transposition et recombinaison conservative spécifique de site
287
Grâce à la transposition, les éléments génétiques mobiles peuvent s'insérer dans n'importe quelle séquence d'ADN288
Les transposons ADN seul peuvent se déplacer par un mécanisme de couper-coller288
Certains virus utilisent un mécanisme de transposition pour pénétrer dans les chromosomes de la cellule hôte290
Les rétrotransposons de type rétroviral ressemblent à des rétrovirus, mais sont dépourvus de capside protéique291
Une grande partie du génome humain est composée de rétrotransposons non rétroviraux291
Différents éléments transposables prédominent des différents organismes292
Les séquences génomiques révèlent à quel moment approximatif les éléments transposables se sont déplacés292
La recombinaison conservative spécifique de site peut réarranger l'ADN de façon réversible292
La recombinaison conservative spécifique de site peut être utilisée pour « allumer » ou « éteindre » des gènes294
Les recombinases conservatives spécifiques de sites sont devenues de puissants outils pour les biologistes cellulaires et du développement294
Résumé295
Références296
Chapitre 6 Comment les cellules lisent le génome : de l'ADN aux protéines299
De l'ADN à l'ARN
301
Les molécules d'ARN sont simple brin302
La transcription produit un ARN complémentaire à un brin d'ADN302
Les ARN polymérases effectuent la transcription303
Les cellules produisent différentes catégories de molécules d'ARN305
Des signaux codés dans l'ADN indiquent à l'ARN polymérase où commencer et où finir306
Les signaux de début et de fin de transcription sont des séquences de nucléotides hétérogènes307
L'initiation de la transcription chez les eucaryotes requiert de nombreuses protéines309
L'ARN polymérase II requiert un ensemble de facteurs de transcription généraux310
La polymérase II requiert aussi des protéines activatrices, médiatrices et modifiant la chromatine312
L'étape d'élongation de la transcription chez les eucaryotes nécessite des protéines accessoires313
La transcription produit une tension mécanique superhélicoïdale314
Chez les eucaryotes, l'élongation de la transcription est étroitement couplée à la maturation de l'ARN315
L'addition d'une coiffe à l'ARN est la première modification des pré-ARNm eucaryotes316
L'épissage de l'ARN enlève les séquences d'introns des pré-ARNm néotranscrits317
Des séquences de nucléotides signalent l'endroit où l'épissage doit se produire319
Le spliceosome effectue l'épissage de l'ARN319
Le spliceosome utilise l'hydrolyse de l'ATP pour produire une série complexe de réarrangements ARN-ARN321
D'autres propriétés du pré-ARNm et de sa synthèse aident à expliquer le choix de sites d'épissage corrects321
La structure de la chromatine affecte l'épissage de l'ARN323
L'épissage de l'ARN présente une souplesse remarquable323
L'épissage de l'ARN catalysé par le spliceosome a probablement évolué à partir d'un mécanisme d'autoépissage324
Les enzymes de maturation des ARN fabriquent l'extrémité 3' des ARNm des eucaryotes324
Les ARNm matures eucaryotes sont exportés du noyau sélectivement325
De nombreux ARN non codants sont également synthétisés et maturés dans le noyau327
Le nucléole est une usine qui produit des ribosomes329
Le noyau contient une variété d'agrégats subnucléaires331
Résumé333
De l'ARN aux Protéines
333
Une séquence d'ARNm est décodée par groupes de trois nucléotides334
Les molécules d'ARNt font correspondre les acides aminés aux codons de l'ARNm334
Les ARNt sont modifiés de façon covalente avant de sortir du noyau336
Des enzymes spécifiques couplent chaque acide aminé à sa molécule d'ARNt particulière336
L'édition par les ARNt synthétases assure l'exactitude338
Les acides aminés sont ajoutés à l'extrémité C-terminale de la chaîne polypeptidique en croissance339
Le message ARN est décodé sur les ribosomes340
Des facteurs d'élongation font avancer la traduction et améliorent sa précision343
De nombreux processus biologiques surmontent les limitations inhérentes à l'appariement de bases complémentaires345
L'exactitude de la traduction requiert une dépense d'énergie libre345
Le ribosome est un ribozyme346
Des séquences nucléotidiques de l'ARNm signalent l'endroit où doit commencer la synthèse des protéines347
Les codons stop marquent la fin de la traduction348
Les protéines sont fabriquées sur des polyribosomes349
Il existe des variations mineures du code génétique standard349
Les inhibiteurs de la synthèse des protéines des procaryotes sont des antibiotiques utiles351
Des mécanismes de contrôle de qualité opèrent pour prévenir la traduction des ARNm endommagés351
Certaines protéines commencent à se replier alors qu'elles sont encore en cours de synthèse353
Les molécules chaperons facilitent le repliement de nombreuses protéines354
Les cellules produisent divers types de chaperons355
Les régions hydrophobes exposées fournissent des signaux critiques pour le contrôle de qualité des protéines357
Le protéasome est une protéase compartimentée avec des sites actifs isolés357
Beaucoup de protéines sont contrôlées par une destruction régulée359
Il existe de nombreuses étapes entre l'ADN et les protéines361
Résumé362
Le monde ARN et les origines de la vie
362
Des molécules d'ARN simple brin peuvent se replier en structures extrêmement élaborées363
L'ARN peut à la fois stocker des informations et catalyser des réactions chimiques364
Comment la synthèse des protéines a-t-elle évolué ?365
Toutes les cellules actuelles utilisent l'ADN comme matériel héréditaire365
Résumé366
Références367
Chapitre 7 Contrôle de l'expression des gènes369
Une vue d'ensemble du contrôle des gènes
369
Les différents types cellulaires d'un organisme multicellulaire contiennent le même ADN369
Les différents types cellulaires synthétisent différents ensembles d'ARN et de protéines370
Des signaux externes peuvent conduire une cellule à modifier l'expression de ses gènes372
L'expression des gènes peut être contrôlée au niveau de nombreuses étapes dans la voie allant de l'ADN aux ARN puis aux protéines372
Résumé373
Le contrôle de la transcription par des protéines se fixant sur l'ADN au niveau de séquences spécifiques
373
La séquence de nucléotides de la double hélice d'ADN peut être lue par des protéines373
Les régulateurs transcriptionnels portent des motifs structuraux qui peuvent lire les séquences d'ADN374
La dimérisation des régulateurs transcriptionnels augmente leur affinité et leur spécificité pour l'ADN375
Les régulateurs transcriptionnels se fixent à l'ADN de façon coopérative378
La structure des nucléosomes favorise la fixation coopérative des régulateurs transcriptionnels379
Résumé380
Les régulateurs transcriptionnels fonctionnent comme des interrupteurs
380
Le répresseur tryptophane interrompt l'expression de gènes380
Les répresseurs « éteignent » les gènes et les activateurs les « allument »381
Un activateur et un répresseur contrôlent l'opéron Lac382
Des boucles d'ADN peuvent se produire au cours de la régulation des gènes bactériens383
Des commutateurs complexes ont évolué pour contrôler la transcription des gènes chez les eucaryotes384
Chez les eucaryotes, la région contrôlant un gène comprend un promoteur et plusieurs séquences régulatrices en cis384
Les régulateurs transcriptionnels eucaryotes fonctionnent en groupes385
Les protéines activatrices favorisent l'assemblage de l'ARN polymérase sur le point de départ de la transcription386
Les activateurs de transcription eucaryotes orientent la modification de la structure de la chromatine locale386
Les activateurs de la transcription peuvent favoriser la transcription en libérant l'ARN polymérase des promoteurs388
Les activateurs transcriptionnels agissent en synergie388
Les répresseurs transcriptionnels eucaryotes peuvent inhiber la transcription de différentes façons389
Les séquences isolateurs de l'ADN empêchent les régulateurs transcriptionnels eucaryotes d'influencer des gènes distants391
Résumé392
Mécanismes de génétique moléculaire qui créent et maintiennent des types cellulaires spécialisés
392
Les commutateurs génétiques complexes qui contrôlent le développement de la drosophile sont formés à partir de molécules plus petites392
Le gène Eve de la drosophile est régulé par des contrôles combinatoires394
Les régulateurs transcriptionnels sont mis en jeu par des signaux extracellulaires395
Le contrôle combinatoire des gènes engendre de nombreux types cellulaires différents396
Des types cellulaires spécialisés peuvent être expérimentalement reprogrammés pour devenir des cellules souches pluripotentes398
Les combinaisons de régulateurs transcriptionnels maîtres spécifient les types cellulaires en contrôlant l'expression de nombreux gènes398
Les cellules spécialisées doivent rapidement allumer et éteindre des ensembles de gènes399
Les cellules différenciées conservent leur identité400
Les circuits de transcription permettent à la cellule d'effectuer des opérations logiques402
Résumé404
Mécanismes qui renforcent la mémoire cellulaire chez les végétaux et les animaux
404
Les profils de méthylation de l'ADN sont transmissibles lors de la division des cellules de vertébrés404
Des îlots riches en CG sont associés à de nombreux gènes chez les mammifères405
L'empreinte génomique est basée sur la méthylation de l'ADN407
Des modifications de la structure de la chromatine sur toute la longueur du chromosome peuvent être transmissibles409
Les mécanismes épigénétiques assurent que des profils stables d'expression des gènes puissent être transmis aux cellules filles411
Résumé413
Contrôles post-transcriptionnels
413
L'atténuation de la transcription entraîne la terminaison prématurée de certaines molécules d'ARN414
Les commutateurs ribonucléotidiques représentent probablement une forme ancienne de contrôle des gènes414
L'épissage alternatif de l'ARN permet de produire différentes formes d'une protéine à partir du même gène415
La définition du gène a été modifiée depuis la découverte de l'épissage alternatif416
Un changement du site de coupure du transcrit ARN et de l'addition de poly-A peut modifier l'extrémité C-terminale d'une protéine417
L'édition de l'ARN peut modifier le sens du message ARN418
Le transport de l'ARN à partir du noyau peut être régulé419
Certains ARNm sont localisés dans des régions particulières du cytosol421
Les régions 5' et 3' non traduites de l'ARNm en contrôlent sa traduction422
La phosphorylation d'un facteur d'initiation régule globalement la synthèse des protéines423
L'initiation sur des codons AUG situés en amont du point de départ de la traduction peut réguler l'initiation de la traduction eucaryote424
Les sites internes d'entrée des ribosomes apportent des opportunités supplémentaires de contrôle de la traduction425
Des modifications de la stabilité des ARNm peuvent réguler l'expression des gènes426
La régulation de la stabilité de l'ARNm implique les P-bodies et les granules de stress427
Résumé428
Régulation de l'expression des gènes par des ARN non codants
429
De petits transcrits d'ARN non codants régulent de nombreux gènes animaux et végétaux par interférence par l'ARN429
Les ARNmi régulent la traduction des ARNm et leur stabilité429
L'interférence par l'ARN (iARN) est aussi utilisée comme mécanisme de défense par la cellule431
L'interférence par l'ARN peut diriger la formation d'hétérochromatine432
Les ARNpi protègent la lignée germinale contre les éléments transposables433
L'interférence par l'ARN est devenue un instrument de recherche puissant433
Les bactéries utilisent de petits ARN non codants pour se protéger contre les virus433
De longs ARN non codants ont des fonctions diverses dans la cellule435
Résumé436
Références437
Chapitre 8 Analyse des cellules, des molécules et des systèmes439
Isolement et culture des cellules
440
Les cellules peuvent être isolées à partir des tissus440
Les cellules peuvent être multipliées en culture440
Les lignées cellulaires eucaryotes sont largement utilisées en tant que source homogène de cellules442
Les lignées cellulaires d'hybridomes sont des usines produisant des anticorps monoclonaux444
Résumé445
Purification des protéines
445
Les cellules peuvent être fractionnées en leurs divers constituants445
Les extraits cellulaires fournissent des systèmes accessibles pour étudier les fonctions cellulaires447
Les protéines peuvent être séparées par chromatographie448
L'immunoprécipitation est une méthode rapide de purification par affinité449
Une étiquette (tag) introduite par génie génétique fournit un moyen simple de purifier les protéines450
Des systèmes acellulaires purifiés sont nécessaires pour disséquer avec précision les fonctions des molécules451
Résumé451
Analyse des protéines
452
Les protéines peuvent être séparées par électrophorèse sur gel de polyacrylamide en SDS452
L'électrophorèse bidimensionnelle en gel permet une plus grande séparation des protéines452
Des protéines spécifiques peuvent être détectées par transfert puis incubation avec un anticorps454
Des mesures hydrodynamiques révèlent la taille et la forme d'un complexe de protéines455
La spectrométrie de masse est une technique extrêmement sensible permettant d'identifier des protéines inconnues455
Des ensembles de protéines interactives peuvent être identifiés par des méthodes biochimiques457
Des méthodes optiques permettent de suivre les interactions entre protéines458
La fonction des protéines peut être perturbée sélectivement par des petites molécules459
La structure des protéines peut être déterminée par diffraction des rayons X460
La RMN permet de déterminer la structure d'une protéine en solution461
La séquence et la structure des protéines fournissent des indices sur leur fonction462
Résumé463
Analyse et manipulation de l'ADN
463
Les nucléases de restriction coupent les grandes molécules d'ADN en fragments spécifiques464
L'électrophorèse en gel sépare les molécules d'ADN de différentes tailles465
Des molécules d'ADN purifiées peuvent être marquées spécifiquement in vitro par un isotope radioactif ou un marqueur chimique467
Les gènes peuvent être clonés en utilisant des bactéries467
Un génome entier peut être représenté dans une bibliothèque d'ADN469
Les bibliothèques génomiques et d'ADNc ont différents avantages et inconvénients471
Les réactions d'hybridation des acides nucléiques fournissent un moyen puissant mais simple de détecter des séquences de nucléotides spécifiques472
Les gènes peuvent être clonés in vitro en utilisant la PCR473
La PCR est également utilisée dans le diagnostic et les applications médico-légales474
L'ADN et l'ARN peuvent tous deux être séquencés rapidement477
Pour être utiles, les séquences génomiques doivent être annotées477
Le clonage de l'ADN permet de produire n'importe quelle protéine en grandes quantités483
Résumé484
Étude de l'expression et de la fonction des gènes
485
La génétique classique commence par perturber les processus cellulaires par mutagenèse au hasard485
Le criblage génétique identifie les mutants ayant des anomalies particulières488
Les mutations peuvent causer une perte ou un gain de fonction des protéines489
Les tests de complémentation révèlent si deux mutations sont situées dans le même gène ou dans deux gènes différents490
On peut déterminer l'ordre dans lequel les produits des gènes interviennent dans un processus grâce à l'analyse de l'épistasie490
Les mutations responsables d'un phénotype peuvent être identifiées par l'analyse de l'ADN491
Le séquençage rapide et bon marché de l'ADN a révolutionné les études de génétique humaine491
Des blocs de polymorphismes liés nous ont été transmis par nos ancêtres492
Les polymorphismes peuvent aider à rechercher les mutations associées aux maladies493
La génomique accélère la découverte de mutations rares qui nous prédisposent à des maladies graves493
La génétique inverse commence par un gène connu et détermine les processus cellulaires qui dépendent de son fonctionnement494
Des animaux et des végétaux peuvent être modifiés génétiquement495
Le système bactérien CRISPR a été adapté pour modifier les génomes dans une large variété d'espèces497
De grandes collections de mutations obtenues par génie génétique représentent un outil de choix pour examiner la fonction de chaque gène d'un organisme498
L'interférence par l'ARN est un moyen simple et rapide de tester la fonction des gènes499
Les gènes rapporteurs (reporters) révèlent quand et où un gène est exprimé501
L'hybridation in situ peut révéler la distribution des ARNm et des ARN non codants502
L'expression des gènes peut être mesurée individuellement par RT-PCR quantitative502
L'analyse des ARNm par microréseaux ou ARN-seq fournit un instantané de l'expression génique503
L'immunoprécipitation pangénomique de la chromatine identifie des sites du génome occupés par des régulateurs transcriptionnels505
Les profils ribosomiques révèlent quels ARNm sont traduits dans la cellule505
Les techniques de l'ADN recombinant ont révolutionné la santé humaine506
Les végétaux transgéniques sont importants pour l'agriculture507
Résumé508
Analyse mathématique des fonctions des cellules
509
Les réseaux de régulation dépendent des interactions moléculaires509
Les équations différentielles nous aident à prédire les comportements transitoires512
L'activité du promoteur ainsi que la dégradation des protéines influent sur la vitesse de variation de la concentration en protéine513
Le temps nécessaire pour atteindre l'état d'équilibre dépend de la durée de vie de la protéine514
Les méthodes quantitatives sont similaires pour les répresseurs et les activateurs de la transcription514
Le rétrocontrôle négatif est une stratégie puissante dans la régulation cellulaire515
Un rétrocontrôle négatif retardé peut induire des oscillations516
La fixation à l'ADN par un répresseur ou un activateur peut être coopérative516
Le rétrocontrôle positif est important pour les réponses de type interrupteur et pour la bistabilité518
La robustesse est une caractéristique importante des réseaux biologiques520
Deux régulateurs transcriptionnels qui se fixent sur le même promoteur de gène peuvent exercer un contrôle combinatoire520
Une interaction de contrôle vers l'avant incohérente génère des impulsions522
Une interaction de contrôle vers l'avant cohérente détecte des entrées persistantes522
Le même réseau peut se comporter différemment dans différentes cellules en raison d'effets stochastiques523
Plusieurs approches de calcul peuvent être utilisées pour modéliser les réactions dans les cellules524
Les méthodes statistiques sont essentielles pour l'analyse des données biologiques524
Résumé525
Références526
Chapitre 9 Observation des cellules529
Observation des cellules au microscope optique
529
La résolution du microscope optique permet de visualiser des détails espacés de 0,2 µm530
Le bruit de fond des photons ajoute des limites supplémentaires à la résolution lorsque la luminosité est faible532
Les cellules vivantes sont vues de façon nette en microscopie à contraste de phase ou à contraste d'interférence différentielle533
Des techniques digitales (ou électroniques) permettent d'améliorer et d'analyser les images534
Les prélèvements de tissus sont généralement fixés puis coupés avant microscopie535
Les anticorps permettent de détecter des molécules spécifiques539
L'imagerie d'objets complexes en trois dimensions est possible en microscopie optique540
Le microscope confocal produit des coupes optiques en excluant la lumière qui ne provient pas du plan de focalisation540
Des protéines individuelles peuvent être marquées avec des étiquettes fluorescentes dans des cellules et des organismes vivants542
On peut suivre la dynamique des protéines dans les cellules vivantes543
Des indicateurs émetteurs de lumière peuvent mesurer les rapides variations de concentrations ioniques intracellulaires546
Des molécules uniques peuvent être visualisées grâce à la microscopie de fluorescence par réflexion totale interne (ou microscopie à onde évanescente)547
Des molécules isolées peuvent être visualisées, touchées et déplacées par la microscopie à force atomique548
Les techniques de fluorescence à super-résolution peuvent surmonter la limite de résolution due à la diffraction549
La super-résolution peut également être atteinte en utilisant les méthodes de localisation d'une seule molécule551
Résumé554
Observation des cellules et des molécules au microscope électronique
554
Le microscope électronique permet la résolution de la structure fine de la cellule554
Les échantillons biologiques nécessitent une préparation particulière pour la microscopie électronique555
Des macromolécules spécifiques peuvent être localisées en microscopie électronique par immunomarquage à l'or556
Différentes images d'un objet unique peuvent être associées pour donner une reconstruction tridimensionnelle557
Des images de surfaces peuvent être obtenues par la microscopie électronique à balayage558
La coloration négative et la microscopie cryoélectronique permettent toutes deux de voir les macromolécules à forte résolution559
Des images multiples peuvent être combinées pour augmenter la résolution561
Résumé562
Références563
Chapitre 10 Structure de la membrane565
La bicouche lipidique
566
Les phosphoglycérides, les sphingolipides et les stérols sont les principaux lipides des membranes cellulaires566
Les phospholipides forment spontanément des bicouches568
La bicouche lipidique est un fluide à deux dimensions569
La fluidité de la bicouche lipidique dépend de la composition571
Malgré leur fluidité, les bicouches lipidiques peuvent former des domaines de compositions différentes572
Les gouttelettes lipidiques sont entourées par une monocouche de phospholipides573
L'asymétrie de la bicouche lipidique a une importance fonctionnelle573
Des glycolipides sont retrouvés à la surface de toutes les membranes plasmiques eucaryotes575
Résumé576
Les protéines membranaires
576
Les protéines membranaires peuvent s'associer à la bicouche lipidique de différentes façons576
Des ancres lipidiques contrôlent la localisation membranaire de certaines protéines de signalisation577
Dans la plupart des protéines transmembrainaires, la chaîne polypeptidique traverse la bicouche lipidique sous la conformation d'hélice alpha579
Les hélices alpha transmembraines interagissent souvent entre elles580
Certains tonneaux bêta forment des grands canaux580
De nombreuses protéines membranaires sont glycosylées582
Les protéines membranaires peuvent être solubilisées et purifiées au moyen de détergents583
La bactériorhodopsine est une pompe à protons (H+) tirant son énergie de la lumière, composée de sept hélices alpha traversant la bicouche lipidique586
Les protéines membranaires fonctionnent souvent sous la forme de grands complexes588
De nombreuses protéines membranaires diffusent dans le plan de la membrane588
Les cellules peuvent confiner des protéines et des lipides à des domaines particuliers de la membrane590
Le cytosquelette cortical confère aux membranes une résistance mécanique et restreint la diffusion des protéines membranaires591
Des protéines qui courbent la membrane déforment les bicouches593
Résumé594
Références595
Chapitre 11 Transport membranaire de petites molécules et propriétés électriques des membranes597
Les principes du transport membranaire
597
Les bicouches lipidiques dépourvues de protéines sont imperméables aux ions598
Il existe deux classes principales de protéines de transport membranaire : les transporteurs et les canaux598
Le transport actif s'effectue par l'intermédiaire de transporteurs couplés à une source d'énergie599
Résumé600
Les transporteurs et le transport membranaire actif
600
Le transport actif peut être entraîné par des gradients ioniques601
Les transporteurs de la membrane plasmique contrôlent le pH cytosolique604
Une distribution asymétrique des transporteurs dans les cellules épithéliales sous-tend le transport transcellulaire des solutés605
Il existe trois classes de pompes ATP-dépendantes606
Une ATPase de type P pompe le Ca2+ vers le réticulum sarcoplasmique des cellules musculaires606
La pompe Na+-K+ de la membrane plasmique établit des gradients de Na+ et de K+ à travers la membrane plasmique607
Les transporteurs ABC constituent la plus grande famille de protéines de transport membranaire609
Résumé611
Les canaux et les propriétés électriques des membranes
611
Les aquaporines sont perméables à l'eau mais imperméables aux ions612
Les canaux ioniques sont sélectifs pour un ion et fluctuent entre des états ouvert et fermé613
Le potentiel de membrane des cellules animales dépend principalement des canaux à fuite du K+ et du gradient de K+ à travers la membrane plasmique615
Le potentiel de repos ne diminue que lentement lorsque la pompe Na+-K+ est stoppée615
La structure tridimensionnelle d'un canal K+ bactérien montre comment un canal ionique peut fonctionner617
Des canaux mécanosensibles protègent les cellules bactériennes contre les pressions osmotiques extrêmes619
La fonction d'un neurone dépend de sa structure allongée620
Les canaux cationiques voltage-dépendants engendrent des potentiels d'action dans les cellules électriquement excitables621
L'utilisation des channelrhodopsines a révolutionné l'étude des circuits neuronaux623
La myélinisation augmente la vitesse et l'efficacité de la propagation des potentiels d'action dans les cellules nerveuses625
Des enregistrements en patch-clamp indiquent que les canaux ioniques s'ouvrent selon un mode de tout ou rien.626
Les canaux à cations voltage-dépendants sont apparentés d'un point de vue évolutif et structural626
Les différents types de neurones expriment des caractéristiques stables de propriétés de déclenchement627
Les canaux ioniques transmetteur-dépendants transforment les signaux chimiques en signaux électriques au niveau des synapses chimiques627
Les synapses chimiques peuvent être excitatrices ou inhibitrices629
Les récepteurs de l'acétylcholine de la jonction neuromusculaire sont des canaux à cations transmetteur-dépendants630
Les neurones contiennent de nombreux types de canaux transmetteur-dépendants631
Beaucoup de médicaments psychoactifs agissent sur les synapses631
La transmission neuromusculaire implique l'activation séquentielle de cinq ensembles différents de canaux ioniques632
Chaque neurone est un dispositif d'intégration complexe633
L'intégration neuronale nécessite l'association d'au moins trois sortes de canaux K+634
La potentialisation à long terme dans l'hippocampe des mammifères dépend de l'entrée de Ca2+ dans les canaux à récepteur NMDA636
Résumé637
Références638
Chapitre 12 Compartiments intracellulaires et tri des protéines641
La compartimentalisation des cellules
641
Toutes les cellules eucaryotes possèdent le même ensemble fondamental d'organites entourés d'une membrane641
Les origines, au cours de l'évolution, des organites pourraient permettre d'interpréter leurs relations topologiques643
Les protéines se déplacent entre les compartiments de différentes façons645
Les séquences signal et les récepteurs de tri dirigent les protéines vers la bonne adresse cellulaire647
La plupart des organites ne peuvent pas être construits de novo : ils nécessitent des informations présentes sur l'organite lui-même648
Résumé649
Le transport des molécules entre le noyau et le cytosol
649
Les complexes du pore nucléaire perforent l'enveloppe nucléaire649
Les signaux de localisation nucléaire dirigent les protéines nucléaires vers le noyau650
Les récepteurs d'importation nucléaire se fixent à la fois aux signaux de localisation nucléaire et aux protéines des NPC652
L'exportation nucléaire s'effectue comme l'importation, mais en sens inverse652
La GTPase Ran actionne un transport directionnel à travers le NPC653
Le transport à travers les NPC peut être régulé par le contrôle de l'accès à la machinerie de transport654
L'enveloppe nucléaire se désagrège pendant la mitose656
Résumé657
Le transport des protéines dans les mitochondries et les chloroplastes
658
La translocation dans les mitochondries dépend de séquences signal et de translocateurs de protéines659
Les précurseurs des protéines mitochondriales sont importés sous forme d'une chaîne polypeptidique dépliée660
L'hydrolyse de l'ATP et un potentiel de membrane alimentent l'importation des protéines dans la matrice661
Les bactéries et les mitochondries utilisent les mêmes mécanismes pour insérer les porines dans leur membrane externe662
Il existe plusieurs voies de transport protéique dans la membrane mitochondriale interne et dans l'espace intermembranaire663
Deux séquences signal dirigent les protéines vers la membrane thylakoïde des chloroplastes664
Résumé666
Les peroxysomes
666
Les peroxysomes utilisent l'oxygène moléculaire et le peroxyde d'hydrogène (eau oxygénée) pour effectuer les réactions oxydatives666
Une courte séquence signal dirige l'importation des protéines dans les peroxysomes667
Résumé669
Le réticulum endoplasmique
669
Le RE est structuralement et fonctionnellement varié670
Les séquences signal ont d'abord été découvertes sur les protéines importées dans le RE rugueux672
Une particule de reconnaissance du signal (SRP) dirige les séquences signal RE-spécifiques vers un récepteur spécifique de la membrane du RE rugueux673
La chaîne polypeptidique traverse un canal aqueux du translocateur675
La translocation à travers la membrane du RE ne requiert pas toujours une élongation parallèle de la chaîne polypeptidique677
Dans les protéines à un seul passage transmembranaire, une seule séquence signal interne RE-spécifique reste dans la bicouche lipidique sous la forme d'une hélice alpha qui traverse la membrane677
Les combinaisons de signaux de début et d'arrêt de transfert déterminent la topologie des protéines à multiples passages transmembranaires679
Les protéines ancrées dans le RE par la queue sont intégrées dans la membrane du RE par un mécanisme spécial682
Les chaînes polypeptidiques transloquées se replient et s'assemblent dans la lumière du RE rugueux682
La plupart des protéines synthétisées dans le RE rugueux sont glycosylées par addition d'un oligosaccharide commun lié par une liaison N-oligosaccharidique683
Les oligosaccharides servent d'étiquettes de l'état de repliement d'une protéine685
Les protéines mal repliées sont exportées hors du RE et dégradées dans le cytosol685
Les protéines mal repliées du RE activent une réponse aux protéines dépliées686
Certaines protéines membranaires acquièrent une ancre de glycosylphosphatidylinositol (GPI), liée de façon covalente688
Le RE assemble la plupart des bicouches lipidiques689
Résumé691
Références692
Chapitre 13 Transport membranaire intracellulaire695
Les mécanismes moléculaires du transport membranaire et le maintien de la diversité des compartiments
697
Il y a divers types de vésicules recouvertes d'un manteau697
L'assemblage d'un manteau de clathrine entraîne la formation d'une vésicule697
Des protéines adaptatrices sélectionnent leur cargaison dans des vésicules recouvertes de clathrine698
Les phosphoinositides marquent les organites et les domaines de membrane700
Les protéines courbant les membranes aident à déformer la membrane pendant la formation des vésicules701
Des protéines cytoplasmiques régulent le pincement, la séparation et la perte du manteau des vésicules recouvertes701
Des GTPases monomériques contrôlent l'assemblage du manteau703
Toutes les vésicules de transport ne sont pas sphériques704
Les protéines Rab orientent les vésicules vers leur membrane cible705
Des cascades de protéines Rab peuvent changer l'identité d'un organite707
Les SNARE effectuent la fusion membranaire708
Les SNARE qui interagissent doivent être séparées avant de pouvoir fonctionner à nouveau709
Résumé710
Transport depuis le RE à travers l'appareil de Golgi
710
Les protéines quittent le RE dans des vésicules de transport recouvertes de COPII711
Seules les protéines correctement repliées et assemblées peuvent quitter le RE712
Les agrégats de vésicules tubulaires effectuent le transport du RE à l'appareil de Golgi712
La voie de récupération vers le RE utilise des signaux de tri713
De nombreuses protéines sont sélectivement retenues dans les compartiments dans lesquels elles fonctionnent714
L'appareil de Golgi est formé d'une série ordonnée de compartiments715
Les chaînes d'oligosaccharides subissent une maturation dans l'appareil de Golgi716
Les protéoglycanes sont assemblés dans l'appareil de Golgi718
Quel est l'intérêt de cette glycosylation ?719
Le transport à travers l'appareil de Golgi peut se faire par maturation des citernes720
Des protéines de la matrice du Golgi facilitent l'organisation de l'empilement721
Résumé722
Transport depuis le réseau Trans-golgien vers les lysosomes
722
Les lysosomes sont les sites principaux de la digestion intracellulaire722
Les lysosomes sont hétérogènes723
Les vacuoles végétales et fongiques sont des lysosomes remarquablement polyvalents724
Les matériaux sont livrés aux lysosomes par de multiples voies725
L'autophagie dégrade les protéines et les organites indésirables726
Un récepteur du mannose 6-phosphate trie les hydrolases lysosomales dans le réseau trans-golgien727
Des anomalies de la GIcNac phosphotransférase provoquent une maladie du stockage lysosomal chez l'homme728
Certains lysosomes et corps multivésiculaires subissent une exocytose729
Résumé729
Transport dans la cellule à partir de la membrane plasmique : l'endocytose
730
Les vésicules de pinocytose se forment à partir de puits recouverts (coated pits) de la membrane plasmique731
Les vésicules de pinocytose ne sont pas toutes recouvertes de clathrine731
Les cellules importent sélectivement des macromolécules extracellulaires par une endocytose couplée à des récepteurs732
Des protéines spécifiques sont récupérées des endosomes précoces et réexpédiées dans la membrane plasmique734
Les récepteurs de signalisation de la membrane plasmique sont régulés négativement par dégradation dans les lysosomes735
Les endosomes précoces maturent dans les endosomes tardifs735
Les complexes protéiques ESCRT participent à la formation des vésicules intraluminales des corps multivésiculaires736
Le recyclage des endosomes régule la composition de la membrane plasmique737
Des cellules phagocytaires spécialisées peuvent ingérer de grosses particules738
Résumé740
Transport depuis le réseau Trans-golgien vers l'extérieur de la cellule : l'exocytose
741
Beaucoup de protéines et de lipides semblent être transportés automatiquement du réseau de Golgi trans (TGN) vers la surface cellulaire741
Les vésicules sécrétoires bourgeonnent à partir du réseau trans-golgien742
Les précurseurs des protéines sécrétoires subissent souvent une maturation par protéolyse pendant la formation des vésicules sécrétoires743
Les vésicules sécrétoires attendent près de la membrane plasmique jusqu'à ce qu'elles reçoivent le signal de libérer leur contenu744
Pour une exocytose rapide, les vésicules synaptiques sont amorcées au niveau de la membrane plasmique présynaptique744
Les vésicules synaptiques peuvent se former directement à partir des vésicules d'endocytose746
Les composants membranaires des vésicules sécrétoires sont rapidement éliminés de la membrane plasmique746
Certains événements d'exocytose régulée permettent d'agrandir la membrane plasmique748
Les cellules polarisées dirigent les protéines du réseau trans-golgien vers le domaine approprié de la membrane plasmique748
Résumé750
Références750
Chapitre 14 Conversion de l'énergie : les mitochondries et les chloroplastes753
La mitochondrie
755
La mitochondrie a une membrane externe et une membrane interne757
La membrane interne des crêtes contient la machinerie de transport des électrons et de synthèse d'ATP758
Le cycle de l'acide citrique produit du NADH dans la matrice758
Les mitochondries ont de nombreuses fonctions essentielles dans le métabolisme cellulaire759
Un processus chimio-osmotique couple l'énergie d'oxydation et la production d'ATP761
L'énergie provenant de l'oxydation est stockée sous la forme d'un gradient électrochimique762
Résumé763
Les pompes à protons de la chaîne de transport des électrons
763
Le potentiel redox est une mesure de l'affinité des électrons763
Les transferts d'électrons libèrent de grandes quantités d'énergie764
Les ions métalliques de transition et les quinones acceptent et libèrent des électrons aisément764
Le NADH transfère ses électrons à l'oxygène à travers trois gros complexes enzymatiques encastrés dans la membrane interne766
Le complexe de la NADH déshydrogénase contient des modules séparés pour le transport des électrons et le pompage des protons768
La cytochrome c réductase capte et libère des protons sur le côté opposé de la membrane des crêtes, pompant ainsi des protons768
Le complexe de la cytochrome c oxydase pompe des protons et réduit O2 en utilisant un centre catalytique fer-cuivre770
La chaîne respiratoire forme un supercomplexe dans la membrane des crêtes772
Les protons peuvent se déplacer rapidement à travers les protéines le long de voies prédéfinies773
Résumé774
La production d'ATP dans les mitochondries
774
La grande valeur négative de la (...)G de l'hydrolyse de l'ATP est utile pour la cellule774
L'ATP synthase est une nanomachine qui produit l'ATP par catalyse rotatoire776
Les turbines entraînées par des protons sont d'origine ancienne777
Les crêtes des mitochondries aident à rendre la synthèse d'ATP efficace778
Des protéines de transport spéciales échangent l'ATP et l'ADP à travers la membrane interne779
Les mécanismes chimio-osmotiques sont d'abord apparus chez les bactéries780
Résumé782
Les chloroplastes et la photosynthèse
782
Les chloroplastes ressemblent aux mitochondries mais ont un compartiment supplémentaire : les thylakoïdes782
Les chloroplastes captent l'énergie de la lumière solaire et l'utilisent pour fixer le carbone783
La fixation du carbone utilise l'ATP et le NADPH pour convertir le CO2 en sucres784
Les sucres générés par la fixation du carbone peuvent être stockés sous forme d'amidon ou consommés pour produire de l'ATP785
Les membranes thylakoïdes des chloroplastes contiennent les complexes de protéines requis pour la photosynthèse et la génération d'ATP786
Les complexes chlorophylle-protéines peuvent transférer soit de l'énergie d'excitation soit des électrons787
Un photosystème est constitué d'un complexe d'antenne et d'un centre de réaction788
La membrane thylakoïde contient deux photosystèmes différents fonctionnant en série789
Le photosystème II utilise un groupement manganèse pour retirer des électrons de l'eau790
Le complexe du cytochrome b6-f connecte le photosystème II au photosystème I791
Le photosystème I effectue la deuxième étape de séparation de charge du schéma en Z792
L'ATP synthase du chloroplaste utilise le gradient de protons généré par les réactions photosynthétiques de la phase lumineuse pour produire de l'ATP793
Tous les centres de réaction de la photosynthèse ont évolue à partir d'un ancêtre commun793
La force proton-motrice pour la production d'ATP est la même dans les mitochondries et les chloroplastes794
Les mécanismes chimio-osmotiques ont évolué par étapes794
En exploitant une source intarissable de pouvoir réducteur, les bactéries photosynthétiques ont surmonté un obstacle évolutif majeur796
Les chaînes photosynthétiques de transport d'électrons des cyanobactéries ont produit l'oxygène atmosphérique et ont permis de nouvelles formes de vie796
Résumé798
Les systèmes génétiques des mitochondries et des chloroplastes
800
Les systèmes génétiques des mitochondries et des chloroplastes ressemblent à ceux des procaryotes800
Au cours du temps, les mitochondries et les chloroplastes ont exporté la plupart de leurs gènes au noyau par transfert de gène801
La fission et la fusion des mitochondries sont des processus topologiquement complexes802
Les mitochondries des animaux contiennent le plus simple des systèmes génétiques connus803
Les mitochondries ont une utilisation souple des codons et peuvent avoir une variante du code génétique804
Les chloroplastes et les bactéries ont les ressemblances frappantes806
Les gènes des organites ont une transmission maternelle chez les animaux et les végétaux807
Des mutations dans l'ADN mitochondrial peuvent provoquer des maladies héréditaires graves807
L'accumulation de mutations dans l'ADN mitochondrial est un facteur de vieillissement808
Pourquoi les mitochondries et les chloroplastes maintiennent-ils un système séparé coûteux pour la transcription de l'ADN et la traduction ?808
Résumé809
Références810
Chapitre 15 La signalisation cellulaire813
Les principes de la signalisation cellulaire
813
Les signaux extracellulaires peuvent agir sur de courtes ou de longues distances814
Les molécules signal extracellulaires se fixent à des récepteurs spécifiques815
Chaque cellule est programmée pour répondre à des combinaisons spécifiques de signaux extracellulaires816
Il existe trois grandes classes de récepteurs protéiques de la surface cellulaire818
Les récepteurs de la surface cellulaire relaient des signaux par l'intermédiaire de molécules de signalisation intracellulaire819
Les signaux intracellulaires doivent être spécifiques et précis dans un cytoplasme bruyant820
Des complexes de signalisation intracellulaire se forment sur les récepteurs activés822
Des domaines modulaires d'interaction créent des interactions entre les protéines de signalisation intracellulaire822
La relation entre le signal et la réponse varie dans les différentes voies de signalisation824
La vitesse d'une réponse dépend de la vitesse de renouvellement (turnover) des molécules signal825
Les cellules peuvent répondre immédiatement à un signal qui n'augmente que progressivement827
Des rétrocontrôles positifs peuvent générer des réponses tout-ou-rien828
Le rétrocontrôle négatif est un aspect courant des systèmes de signalisation829
Les cellules peuvent ajuster leur sensibilité à un signal830
Résumé831
La signalisation par les récepteurs couplés aux protéines G
832
Les protéines G trimériques relaient les signaux émis par les GPCR832
Certaines protéines G régulent la production de l'AMP cyclique833
La protéine kinase dépendante de l'AMP cyclique (PKA) est responsable de la plupart des effets de l'AMP cyclique834
Certaines protéines G effectuent leur signalisation par l'intermédiaire de phospholipides836
Le Ca2+ fonctionne comme messager intracellulaire ubiquitaire838
Un rétrocontrôle peut créer des vagues et des oscillations de Ca2+838
Les protéines kinases Ca2+/calmoduline-dépendantes relaient de nombreuses réponses aux signaux Ca2+840
Certaines protéines G régulent directement des canaux ioniques843
L'odorat et la vision dépendent de GPCR qui régulent des canaux ioniques à vanne contrôlée par les nucléotides cycliques843
L'oxyde nitrique est un médiateur de signalisation gazeux qui passe entre les cellules846
Les seconds messagers et les cascades enzymatiques amplifient les signaux848
La désensibilisation des GPCR dépend de leur phosphorylation848
Résumé849
La signalisation par les récepteurs couplés à une enzyme
850
Les récepteurs à tyrosine kinase activés (RTK) s'auto-phosphorylent850
Les tyrosines phosphorylées des RTK servent de site d'amarrage aux protéines de signalisation intracellulaire852
Les protéines à domaine SH2 se fixent aux tyrosines phosphorylées852
LA GTPase Ras relaie les signaux de la plupart des RTK854
Ras active un module de signalisation MAP kinase855
Des protéines d'échafaudage réduisent les interférences entre des modules parallèles de MAP kinases857
Les GTPases de la famille Rho couplent fonctionnellement les récepteurs de surface au cytosquelette858
La PI 3-kinase fournit des sites d'amarrage lipidiques dans la membrane plasmique859
La voie de signalisation PI-3-kinase/Akt stimule la survie et la croissance des cellules animales860
Les RTK et les GPCR activent des voies de signalisation chevauchantes861
Certains récepteurs couplés à des enzymes s'associent à des tyrosine kinases cytoplasmiques862
Les récepteurs des cytokines activent la voie de signalisation JAK-STAT863
Des protéines tyrosine phosphatases inversent les phosphorylations sur les tyrosines864
Les protéines de signalisation de la superfamille des TGF(...) agissent par l'intermédiaire de récepteurs à sérine/thréonine kinases et de Smad865
Résumé866
Les voies de signalisation alternatives dans la régulation des gènes
867
Le récepteur protéique Notch est un régulateur transcriptionnel latent867
Les protéines Wnt se fixent aux récepteurs Frizzled et inhibent la dégradation des (...)-caténines868
Les protéines Hedgehog se fixent à Patched, ce qui lève son inhibition de Smoothened871
De nombreux stimuli de stress et d'inflammation agissent par une voie de signalisation dépendante des NF-kB873
Les récepteurs nucléaires sont des régulateurs transcriptionnels modulés par leurs ligands874
Les horloges circadiennes contiennent des boucles de rétrocontrôle négatif qui contrôlent l'expression des gènes876
Trois protéines dans un tube à essai peuvent reconstituer l'horloge circadienne d'une cyanobactérie878
Résumé879
La signalisation chez les végétaux
880
La multicellularité et la communication cellulaire ont évolué indépendamment chez les végétaux et les animaux880
Les récepteurs à sérine/thréonine kinases sont la classe la plus importante des récepteurs de la surface chez les végétaux881
L'éthylène bloque la dégradation de régulateurs transcriptionnels protéiques dans le noyau881
Le positionnement régulé des transporteurs d'auxine détermine l'architecture de la croissance des végétaux882
Les phytochromes détectent la lumière rouge et les cryptochromes la lumière bleue883
Résumé885
Références886
Chapitre 16 Le cytosquelette889
Fonction et origine du cytosquelette
889
Les filaments du cytosquelette s'adaptent pour former des structures dynamiques ou stables890
Le cytosquelette détermine l'organisation et la polarité de la cellule892
Les filaments s'assemblent à partir de sous-unités protéiques qui leur confèrent des propriétés physiques et dynamiques spécifiques893
Des protéines accessoires et des moteurs régulent les filaments du cytosquelette894
Chez les bactéries, l'organisation et la division des cellules dépendent d'homologues des protéines du cytosquelette des eucaryotes896
Résumé898
L'actine et les protéines se fixant à l'actine
898
Les sous-unités de tubuline et d'actine s'assemblent tête-à-queue pour créer des filaments polaires flexibles898
La nucléation est l'étape limitante de la vitesse de formation des filaments d'actine899
Les filaments d'actine ont deux extrémités distinctes qui croissent à des vitesses différentes900
L'hydrolyse d'ATP dans les filaments d'actine conduit au phénomène du « tapis roulant » à l'état d'équilibre901
Les fonctions des filaments d'actine sont inhibées par des agents chimiques qui, soit stabilisent soit déstabilisent les polymères904
Les protéines se fixant à l'actine influencent la dynamique et l'organisation des filaments904
La disponibilité des monomères contrôle l'assemblage des filaments d'actine906
Des facteurs de nucléation de l'actine accélèrent la polymérisation et génèrent des filaments droits ou ramifiés906
Des protéines se fixant aux filaments d'actine modifient la dynamique des filaments907
Des protéines de rupture régulent la dépolymérisation des filaments d'actine909
Des réseaux de filaments d'actine d'ordre supérieur influencent les propriétés mécaniques et de signalisation de la cellule911
Les bactéries peuvent détourner le cytosquelette d'actine de l'hôte913
Résumé914
La myosine et l'actine
915
Les moteurs protéiques associés à l'actine font partie de la superfamille des myosines915
La myosine génère de la force en couplant l'hydrolyse de l'ATP à des changements de conformation916
La glissement de la myosine II le long des filaments d'actine provoque la contraction musculaire916
Une augmentation soudaine de la concentration cytosolique en Ca2+ initie la contraction musculaire920
Le muscle cardiaque est une machine de grande précision923
L'actine et le myosine ont toute une variété de fonctions dans les cellules non musculaires923
Résumé925
Microtubules
925
Les microtubules sont des tubes creux faits de protofilaments926
Les microtubules présentent une instabilité dynamique927
Les fonctions des microtubules sont inhibées par des agents pharmacologiques stabilisant ou déstabilisant les polymères929
Un complexe de protéines contenant de la tubuline gamma est responsable de la nucléation des microtubules929
Dans les cellules animales, les microtubules émanent du centrosome930
Des protéines se fixant aux microtubules modulent la dynamique et l'organisation des filaments932
Les protéines se fixant aux extrémités plus des microtubules modulent la dynamique des microtubules et leurs attachements932
Des protéines séquestrant la tubuline et des protéines de rupture des microtubules déstabilisent les microtubules935
Deux types de moteurs protéiques se déplacent le long des microtubules936
Les microtubules et les moteurs déplacent les organites et les vésicules938
La construction d'assemblages complexes de microtubules requiert une dynamique des microtubules et des moteurs protéiques940
Les cils motiles et les flagelles sont des structures formées de microtubules et de dynéines941
Le cil primaire effectue d'importantes fonctions de signalisation dans les cellules animales942
Résumé943
Les filaments intermédiaires et les septines
944
La structure des filaments intermédiaires associe une fasciculation latérale et une torsion de surenroulements945
Les filaments intermédiaires procurent une stabilité mécanique aux cellules animales946
Des protéines linker (protéines de liaison) connectent les filaments du cytosquelette et peuvent ponter l'enveloppe nucléaire948
Les septines forment des filaments qui régulent la polarité cellulaire949
Résumé950
La polarisation et la migration des cellules
951
De nombreuses cellules peuvent ramper sur un support solide951
La protrusion de la membrane plasmique est actionnée par la polymérisation de l'actine951
Les lamellipodes contiennent toute la machinerie nécessaire à la motilité cellulaire953
La contraction de la myosine et l'adhésion de la cellule au substrat permettent à la cellule de ramper vers l'avant954
La polarisation de la cellule est contrôlée par les membres de la famille de protéines Rho955
Des signaux extracellulaires activent les trois membres de la famille des protéines Rho958
Des signaux externes peuvent dicter la direction de la migration cellulaire958
La communication entre les éléments du cytosquelette coordonne la polarisation et la locomotion de la cellule entière959
Résumé960
Références960
Chapitre 17 Le cycle cellulaire963
Vue d'ensemble du cycle cellulaire
963
Le cycle cellulaire des eucaryotes est généralement divisé en quatre phases964
Le contrôle du cycle cellulaire est similaire chez tous les eucaryotes965
La progression le long du cycle cellulaire peut être étudiée de différentes façons966
Résumé967
Le système de contrôle du cycle cellulaire
967
Le système de contrôle du cycle cellulaire déclenche les événements majeurs du cycle cellulaire967
Le système de contrôle du cycle cellulaire repose sur des protéine kinases dépendantes des cyclines (Cdk) qui sont activées cycliquement968
L'activité Cdk peut être réprimée par des phosphorylations inhibitrices et des protéines inhibitrices des Cdk (CKI)970
Une protéolyse régulée déclenche la transition métaphase-anaphase970
Le contrôle du cycle cellulaire dépend aussi de la régulation de la transcription971
Le système de contrôle du cycle cellulaire fonctionne comme un réseau d'interrupteurs biochimiques972
Résumé974
La phase S
974
S-Cdk initie la réplication de l'ADN une seule fois par cycle974
La duplication des chromosomes requiert la duplication des structures chromatiniennes975
Les cohésines maintiennent ensemble les deux chromatides soeurs977
Résumé977
La mitose
978
M-Cdk initie l'entrée en mitose978
La déphosphorylation active M-Cdk au commencement de la mitose978
Les condensines participent à la configuration des chromosomes dupliqués nécessaire à leur séparation979
Le fuseau mitotique est une machine basée sur les microtubules982
Des moteurs protéiques dépendant des microtubules gouvernent l'assemblage et le fonctionnement du fuseau mitotique983
Plusieurs mécanismes collaborent à l'assemblage d'un fuseau mitotique bipolaire984
La duplication du centrosome se produit tôt dans le cycle cellulaire984
L'assemblage du fuseau pendant la prophase est initié par M-Cdk985
Dans les cellules animales, l'assemblage du fuseau ne peut s'achever qu'après la destruction de l'enveloppe nucléaire985
L'instabilité des microtubules augmente fortement au cours de la mitose986
Les chromosomes mitotiques facilitent l'assemblage d'un fuseau bipolaire986
Les kinétochores attachent les chromatides soeurs au fuseau987
La bi-orientation est effectuée par tâtonnements988
Des forces multiples agissent sur les chromosomes positionnés sur le fuseau990
Le complexe APC/C déclenche la séparation des chromatides soeurs et l'achèvement de la mitose992
Les chromosomes non attachés bloquent la séparation des chromatides soeurs : le point de contrôle (checkpoint) de l'assemblage du fuseau993
Les chromosomes ségrègent au cours de l'anaphase A et B994
Les chromosomes ségrégés sont empaquetés dans les noyaux fils à la télophase995
Résumé995
La cytokinèse
996
L'actine et la myosine II de l'anneau contractile produisent les forces nécessaires à la cytokinèse996
L'activation locale de RhoA déclenche l'assemblage et la contraction de l'anneau contractile997
Les microtubules du fuseau mitotique déterminent le plan de division de la cellule animale997
Le phragmoplaste guide la cytokinèse des végétaux supérieurs1000
Les organites entourés de membranes doivent être distribués aux cellules filles pendant la cytokinèse1001
Certaines cellules repositionnent leur fuseau pour se diviser asymétriquement1001
La mitose peut avoir lieu sans cytokinèse1002
La phase G1 et un état stable d'inactivité des Cdk1002
Résumé1004
La méiose
1004
La méiose comprend deux tours de ségrégation des chromosomes1004
Les homologues dupliqués forment des paires pendant la prophase de la méiose I1006
L'appariement des homologues culmine lors de la formation du complexe synaptonémal1006
La ségrégation des homologues dépend de plusieurs caractéristiques spécifiques de la méiose I1008
Le crossing-over est très régulé1009
Les erreurs sont fréquentes au cours de la méiose1010
Résumé1010
Le contrôle de la division cellulaire et de la croissance cellulaire
1010
Les agents mitogènes stimulent la division cellulaire1011
Les cellules peuvent entrer dans un état de non-division spécialisé1012
Les mitogènes stimulent les activités des G1-Cdk et G1/S-Cdk1012
Les dommages de l'ADN bloquent la division cellulaire : la réponse aux dommages de l'ADN1014
De nombreuses cellules humaines ont une limitation intrinsèque du nombre de divisions qu'elles peuvent effectuer1016
Excepté dans les cellules cancéreuses, des signaux de prolifération anormaux entraînent l'arrêt du cycle ou l'apoptose1016
La prolifération cellulaire est accompagnée d'une croissance cellulaire1016
Les cellules qui prolifèrent coordonnent généralement leur croissance et leur division1018
Résumé1018
Références1019
Chapitre 18 La mort cellulaire1021
L'apoptose élimine les cellules indésirables1021
L'apoptose dépend d'une cascade de réactions protéolytiques intracellulaires médiée par les caspases1022
Les « récepteurs de mort » de la surface de la cellule activent la voie extrinsèque de l'apoptose1024
La voie intrinsèque de l'apoptose repose sur les mitochondries1025
Les protéines Bcl2 régulent la voie intrinsèque de l'apoptose1025
Les IAP aident à contrôler les caspases1029
Les facteurs de survie extracellulaires inhibent l'apoptose par différents moyens1029
Les phagocytes éliminent les cellules apoptotiques1030
Qu'elle soit excessive ou insuffisante, l'apoptose peut contribuer à des maladies1031
Résumé1032
Références1033
Chapitre 19 Les jonctions cellulaires et la matrice extracellulaire1035
Les jonctions intercellulaires
1038
Les cadhérines forment une famille diversifiée de molécules d'adhésion1038
Les cadhérines effectuent des adhésions homophiles1038
Les adhésions intercellulaires cadhérine-dépendantes guident l'organisation des tissus en développement1040
Les transitions mésenchyme-épithélium dépendent du contrôle des cadhérines1042
Les caténines relient les cadhérines classiques au cytosquelette d'actine1042
Les jonctions adhérentes répondent à des forces générées par le cytosquelette d'actine1042
Le remodelage des tissus dépend de la coordination de l'adhésion intercellulaire et des contractions dues à l'actine1043
Les desmosomes donnent une force mécanique aux épithéliums1045
Les jonctions serrées forment un joint imperméable entre les cellules et une barrière entre les domaines de la membrane plasmique1047
Les jonctions serrées contiennent des brins de protéines d'adhésion transmembranaires1047
Des protéines d'échafaudage organisent les complexes protéiques jonctionnels1049
Les jonctions communicantes couplent les cellules, électriquement, et métaboliquement1050
Le connexon d'une jonction communicante est constitué de six sous-unités de connexines transmembranaires1051
Chez les végétaux, les plasmodesmes remplissent de nombreuses fonctions similaires à celles des jonctions communicantes1053
Les sélectines sont des intermédiaires transitoires des adhésions intercellulaires dans le courant sanguin1054
Des membres de la superfamille des immunoglobulines sont les effecteurs d'une adhésion intercellulaire indépendante du Ca2+1055
Résumé1056
La matrice extracellulaire des animaux
1057
La matrice extracellulaire est produite et orientée par les cellules qui l'habitent1057
Les chaînes de glycosaminoglycanes (GAG) occupent beaucoup d'espace et forment des gels hydratés1058
L'acide hyaluronique comble les espaces au cours de la morphogenèse et de la réparation des tissus1059
Les protéoglycanes sont composés de chaînes de GAG liées de façon covalente à une protéine coeur1059
Les collagènes sont les principales protéines de la matrice extracellulaire1061
Les collagènes sécrétés associés aux fibrilles aident à organiser les fibrilles1063
Les cellules participent à l'organisation des fibrilles de collagène qu'elles sécrètent en exerçant une tension mécanique sur la matrice1064
L'élastine donne aux tissus leur élasticité1065
La fibronectine et d'autres glycoprotéines à multidomaines participent à l'organisation de la matrice1066
La fibronectine se fixe à des intégrines1067
Les tensions mécaniques exercées par les cellules contrôlent l'assemblage des fibrilles de fibronectine1068
La lame basale est une forme spécialisée de matrice extracellulaire1068
La laminine et le collagène de type IV sont des composants majeurs de la lame basale1069
Les lames basales ont des fonctions variées1070
Les cellules doivent pouvoir dégrader la matrice aussi bien qu'elles la produisent1072
Les protéoglycanes et les glycoprotéines de la matrice peuvent réguler les activités des protéines sécrétées1073
Résumé1074
Les jonctions cellule-matrice
1074
Les intégrines sont des hétérodimères transmembranaires qui relient la matrice extracellulaire au cytosquelette1075
Des anomalies des intégrines sont responsables de nombreuses maladies génétiques1076
Les intégrines peuvent passer d'une conformation active à une conformation inactive1077
Les intégrines se regroupent pour établir des adhésions fortes1079
Les attachements à la matrice extracellulaire par l'intermédiaire des intégrines contrôlent la prolifération et la survie cellulaire1079
Les intégrines recrutent des protéines de signalisation intracellulaires aux sites d'adhésion cellule-matrice1079
Les adhésions cellule-matrice réagissent aux forces mécaniques1080
Résumé1081
La paroi cellulaire végétale
1081
La composition de la paroi cellulaire dépend du type cellulaire1082
La résistance à la tension de la paroi cellulaire permet aux cellules végétales de développer une pression de turgescence1083
La paroi cellulaire primaire est constituée de microfibrilles de cellulose entrelacées en un réseau de polysaccharides de pectine1083
Les dépôts orientés sur les parois contrôlent la croissance des cellules végétales1085
Les microtubules orientent les dépôts de la paroi cellulaire1086
Résumé1087
Références1088
Chapitre 20 Le cancer1091
Le cancer en tant que processus micro-évolutif
1091
Les cellules cancéreuses court-circuitent les contrôles normaux de la prolifération et colonisent les autres tissus1092
La plupart des cancers dérivent d'une seule cellule anormale1093
Les cellules cancéreuses contiennent des mutations somatiques1094
Une seule mutation n'est pas suffisante pour transformer une cellule normale en cellule cancéreuse1094
Les cancers se développent progressivement à partir de cellules de plus en plus aberrantes1095
La progression tumorale est due à des cycles successifs de changement aléatoires transmissibles suivis de sélection naturelle1096
Les cellules cancéreuses humaines sont génétiquement instables1097
Les cellules cancéreuses démontrent un contrôle de croissance anormal1098
Les cellules cancéreuses ont un métabolisme glucidique modifié1098
Les cellules cancéreuses ont une capacité anormale de survivre face au stress et aux dommages de l'ADN1099
Les cellules cancéreuses humaines échappent à la limite programmée de la prolifération cellulaire1099
Le microenvironnement de la tumeur influence le développement du cancer1100
Les cellules cancéreuses peuvent survivre et proliférer dans un environnement étranger1101
De nombreuses propriétés contribuent généralement à la croissance cancéreuse1103
Résumé1103
Les gènes critiques du cancer : Comment on les identifie et ce qu'ils font
1104
L'identification des mutations dans les gènes critiques pour le cancer a traditionnellement requis des méthodes différentes selon qu'il s'agit de mutations avec gain de fonction ou avec perte de fonction1104
Les rétrovirus peuvent se comporter en vecteurs d'oncogènes altérant le comportement cellulaire1105
Des recherches d'oncogènes par des approches différentes ont convergé vers le même gène : Ras1106
Les gènes mutés dans le cancer peuvent être rendus hyperactifs par plusieurs voies différentes1106
Des études de syndromes rares de cancers héréditaires ont permis d'identifier les premiers gènes suppresseurs de tumeur1107
Des mécanismes génétiques et épigénétiques peuvent inactiver les gènes suppresseurs de tumeurs1108
Le séquençage systématique des génomes de cellules cancéreuses à transformé notre compréhension de la maladie1109
De nombreux cancers ont un génome extraordinairement perturbé1111
Beaucoup de mutations des cellules tumorales sont de simples passagers1111
À peu près un pour cent des gènes du génome humain sont critiques pour le cancer1112
Les perturbations d'une poignée de processus clés sont communes à de nombreux cancers1113
Des mutations dans la voie PI3K/Akt/mTOR poussent les cellules cancéreuses à la croissance1114
Des mutations dans la voie p53 permettent aux cellules cancéreuses de survivre et de proliférer malgré un stress cellulaire ou des lésions de leur ADN1115
L'instabilité génomique prend des formes différentes dans les différents cancers1116
Les cancers des tissus spécialisés utilisent de nombreuses voies différentes pour cibler et atteindre le tronc commun du cancer1117
Des études utilisant des souris aident à définir les fonctions des gènes critiques pour le cancer1117
Les cancers deviennent de plus en plus hétérogènes à mesure qu'ils progressent1118
Les changements des cellules tumorales qui conduisent aux métastases restent encore mystérieux1119
Une petite population de cellules souches cancéreuses pourrait maintenir actives de nombreuses tumeurs1120
Le phénomène des cellules souches cancéreuses accroît la difficulté des traitements du cancer1121
Les cancers colorectaux évoluent lentement en passant par une succession de modifications visibles1122
Un petit nombre de lésions génétiques clés sont communes à une grande partie des cancers colorectaux1123
Certains cancers colorectaux présentent des anomalies de la réparation des mésappariements de l'ADN1124
Il est souvent possible de corréler les étapes de la progression tumorale à des mutations spécifiques1125
Résumé1126
Prévention et traitement du cancer : Présent et futur
1127
L'épidémiologie révèle que de nombreux cas de cancer sont évitables1127
Des dosages sensibles peuvent détecter les agents cancérigènes qui endommagent l'ADN1127
Cinquante pour cent des cancers pourraient être évités par des changements du mode de vie1128
Des virus et d'autres infections provoquent une proportion significative de cancers chez l'homme1129
Les cancers du col de l'utérus peuvent être évités par la vaccination contre des papillomavirus humains1131
Les agents infectieux peuvent causer le cancer de différentes façons1132
La recherche sur le traitement du cancer est difficile mais non sans espoir1132
Les traitements traditionnels exploitent l'instabilité génétique et la perte des points de contrôle du cycle cellulaire des cellules cancéreuses1132
De nouveaux médicaments peuvent tuer des cellules cancéreuses de manière sélective par ciblage de mutations spécifiques1133
Les inhibiteurs de PARP tuent les cellules cancéreuses qui ont des défauts dans les gènes Brca1 ou Brca21133
On peut concevoir des petites molécules pour inhiber spécifiquement des protéines oncogéniques1135
De nombreux cancers peuvent être traités en augmentant la réponse immunitaire contre une tumeur spécifique1137
Les cancers développent des résistances aux thérapies1139
Les polythérapies peuvent réussir là où les traitements avec un seul médicament à la fois échouent1139
Il existe maintenant des outils permettant de concevoir des polythérapies adaptées à chaque patient particulier1140
Résumé1141
Références1142
Chapitre 21 Développement des organismes multicellulaires1145
Vue d'ensemble du développement
1147
Des mécanismes conservés permettent d'établir le plan de base du corps d'un animal1147
Le potentiel de développement des cellules se restreint progressivement1148
La mémoire cellulaire sous-tend la prise de décision1148
Plusieurs organismes modèles ont été capitaux pour la compréhension du développement1148
Les gènes impliqués dans la communication intercellulaire et le contrôle transcriptionnel sont particulièrement importants pour le développement des animaux1149
L'ADN régulateur semble largement responsable des différences entre les espèces animales1149
Un petit nombre de voies de signalisation intercellulaires conservées coordonnent l'organisation spatiale1150
Grâce au contrôle combinatoire et à la mémoire cellulaire, des signaux simples peuvent générer des schémas d'organisation complexes1150
Les morphogènes sont des signaux d'induction (inducteurs) à longue portée qui exercent des effets graduels1151
L'inhibition latérale peut générer des schémas de différents types cellulaires1151
L'activation à courte portée et l'inhibition à longue portée peut générer des schémas cellulaires complexes1152
La division cellulaire asymétrique peut également générer de la diversité1153
Les schémas initiaux s'établissent dans de petits champs de cellules puis s'affinent par inductions séquentielles tout au long de la croissance de l'embryon1153
La biologie du développement donne des aperçus sur l'entretien des tissus et certains processus pathologiques1154
Résumé1154
Les mécanismes de la formation des schémas d'organisation
1155
Différents animaux utilisent différents mécanismes pour établir leurs axes primaires de polarisation1155
Des études faites chez la drosophile ont révélé des mécanismes de contrôle génétique sous-jacents au développement1157
Des gènes de polarité de l'oeuf codent des macromolécules localisées dans l'oeuf qui organisent les axes de l'embryon précoce de drosophile1157
Trois groupes de gènes contrôlent la segmentation de la drosophile le long de l'axe A-P1159
Une hiérarchie d'interactions de gènes régulateurs subdivise l'embryon de la drosophile1159
Les gènes de polarité de l'oeuf gap et pair-rule créent une organisation transitoire qui est gardée en mémoire par les gènes de polarité des segments et des gènes Hox1160
Les gènes Hox établissent de manière permanente le schéma d'organisation de l'axe A-P1162
Les protéines Hox donnent à chaque segment son individualité1163
Les gènes Hox sont exprimés séquentiellement selon leur ordre sur l'ADN dans le complexe Hox1163
Le groupe des protéines Trithorax et Polycomb permet aux complexes Hox de conserver une mémoire permanente des informations positionnelles1164
Les gènes de signalisation D-V créent un gradient du régulateur transcriptionnel Dorsal1164
Une hiérarchie d'interactions d'induction subdivise l'embryon des vertébrés1166
Une compétition entre des protéines signal sécrétées met en place les schémas d'organisation de l'embryon de vertébré1168
L'axe dorso-ventral de l'insecte correspond à l'axe ventro-dorsal des vertébrés1169
Les gènes Hox contrôlent l'axe A-P des vertébrés1169
Certains régulateurs transcriptionnels peuvent activer un programme qui définit un type cellulaire ou créent un organe entier1170
L'inhibition latérale affine les schémas d'espacement cellulaire médiés par Notch1171
Les divisions cellulaires asymétriques rendent les cellules soeurs différentes1173
Des différences dans l'ADN de régulation expliquent les différences morphologiques1174
Résumé1175
Le calendrier du développement
1176
Les durées de vie moléculaires jouent un rôle critique dans le calendrier du développement1176
Un oscillateur d'expression de gènes agit comme une horloge pour contrôler la segmentation des vertébrés1177
Des programmes de développement intracellulaires peuvent participer au réglage de la cinétique de développement d'une cellule1179
Les cellules comptent rarement leurs divisions cellulaires pour établir la chronologie de leur développement1180
Les microARN régulent souvent les transitions du développement1180
Des signaux hormonaux coordonnent le calendrier des transitions de développement1182
Des facteurs de l'environnement déterminent le moment de la floraison1182
Résumé1184
La morphogenèse
1184
La migration cellulaire est guidée par des repères présents dans l'environnement des cellules1185
La répartition des cellules migrantes dépend de facteurs de survie1186
Des schémas d'organisation évolutifs des molécules d'adhésion cellulaire forcent les cellules à se réorganiser1187
Des interactions répulsives aident à maintenir les limites des tissus1188
Des groupes de cellules similaires peuvent effectuer des réarrangements collectifs spectaculaires1188
La polarité cellulaire planaire aide à orienter la structure cellulaire et le mouvement des épithéliums en développement1189
Des interactions entre un épithélium et le mésenchyme peuvent engendrer des structures tubulaires ramifiées1190
Un épithélium peut se courber au cours du développement pour former un tube ou une vésicule1192
Résumé1193
La croissance
1193
La prolifération, la mort et la taille des cellules déterminent la taille de l'organisme1194
Les animaux et leurs organes peuvent évaluer et réguler la masse totale de leurs cellules1194
Des signaux extracellulaires stimulent ou inhibent la croissance1196
Résumé1197
Le développement neural
1198
Des caractères différents sont assignés aux neurones selon le moment et le lieu de leur naissance1199
Le cône de croissance pilote les axones le long de routes spécifiques vers leurs cibles1201
Toute une variété de repères extracellulaires guident les axones jusqu'à leurs cibles1202
La formation de cartes neurales ordonnées dépend des spécificités neuronales1204
Les ramifications des dendrites et des branches axonales d'un même neurone s'évitent l'une l'autre1206
Les tissus cibles libèrent des facteurs neurotrophiques qui contrôlent la croissance des cellules nerveuses et leur survie1208
La formation des synapses dépend de communications bidirectionnelles entre les neurones et leurs cellules cibles1209
L'élagage synaptique dépend de l'activité électrique et de la signalisation synaptique1211
Les neurones qui émettent ensemble se connectent ensemble1211
Résumé1213
Références1214
Chapitre 22 Les cellules souches et le renouvellement des tissus1217
Les cellules souches et le renouvellement des tissus épithéliaux
1217
Le revêtement interne de l'intestin grêle est sans cesse renouvelé grâce à la prolifération cellulaire des cryptes1218
Les cellules souches de l'intestin grêle se situent à la base de chaque crypte ou tout près1219
Les deux filles d'une cellule souche font face à un choix1219
La signalisation Wnt entretient le compartiment des cellules souches intestinales1220
Les cellules souches de la base des cryptes sont multipotentes, donnant naissance à la gamme complète des types cellulaires différenciés intestinaux1220
Les deux cellules filles d'une cellule souche ne deviennent pas obligatoirement différentes1222
Les cellules de Paneth créent une niche pour les cellules souches1222
Une seule cellule exprimant Lgr5 en culture peut générer un système organisé complet de cryptes et de villosités1223
La signalisation éphrine-Eph organise la ségrégation des différents types cellulaires de l'intestin1224
La signalisation par Notch contrôle la diversification des cellules de l'intestin et contribue à maintenir l'état de cellule souche1224
Le système des cellules souches épidermiques maintient une barrière imperméable à l'eau auto-renouvelable1225
Un renouvellement de tissus qui ne dépend pas des cellules souches : les cellules sécrétrices d'insuline du pancréas et les hépatocytes du foie1226
Certains tissus n'ont pas de cellules souches et ne sont pas renouvelables1227
Résumé1227
Les fibroblastes et leurs transformations : La famille des cellules du tissu conjonctif
1228
Les fibroblastes modifient leurs caractères en réponse à des signaux chimiques et physiques1228
Les ostéoblastes sécrètent la matrice osseuse1229
L'os est continuellement remodelé par les cellules qu'il contient1230
Les ostéoclastes sont contrôlés par des signaux provenant des ostéoblastes1232
Résumé1232
Genèse et régénération du muscle squelettique1232
La fusion des myoblastes donne naissance aux nouvelles cellules du muscle squelettique1233
Certains myoblastes persistent en tant que cellules souches quiescentes chez l'adulte1234
Résumé1235
Les vaisseaux sanguins et lymphatiques, et les cellules endothéliales1235
Les cellules endothéliales tapissent tous les vaisseaux sanguins et lymphatiques1235
Les cellules endothéliales des extrémités sont les pionnières de l'angiogenèse1236
Les tissus ayant besoin d'un apport sanguin libèrent du VEGF1237
Des signaux en provenance des cellules endothéliales contrôlent le recrutement de péricytes et de cellules musculaires lisses pour former la paroi des vaisseaux1238
Résumé1238
Un système hiérarchique de cellules souches : La formation des cellules sanguines1239
Les globules rouges sont tous pareils ; les globules blancs peuvent être regroupés en trois grandes catégories1239
La production de chaque type de cellule sanguine dans la moelle osseuse est contrôlée individuellement1240
La moelle osseuse contient les cellules souches hématopoïétiques multipotentes, capables de donner naissance à toutes les classes de cellules sanguines1242
L'engagement irréversible est un processus à plusieurs étapes1243
Les divisions des cellules précurseur engagées irréversiblement amplifient le nombre de cellules sanguines spécialisées1243
Les cellules souches sont dépendantes de signaux de contact venant des cellules stromates1244
Les facteurs qui régulent l'hématopoïèse peuvent être analysés en culture1244
L'érythropoïèse dépend de l'hormone érythropoïétine1244
De multiples CSF influent sur la production des neutrophiles et des macrophages1245
Le comportement d'un cellule hématopoïétique dépend en partie du hasard1245
La régulation de la survie cellulaire est aussi importante que celle de la prolifération cellulaire1246
Résumé1247
Régénération et réparation
1247
Les vers planaires contiennent des cellules souches qui peuvent régénérer un nouveau corps entier1247
Certains vertébrés peuvent régénérer des organes entiers1248
Les cellules souches peuvent être artificiellement utilisées pour remplacer des cellules malades ou perdues : les thérapies cellulaires pour le sang et l'épiderme1249
Les cellules souches neurales peuvent être manipulées en culture et utilisées pour repeupler le système nerveux central1250
Résumé1251
La reprogrammation cellulaire et les cellules souches pluripotentes
1251
Les noyaux peuvent être reprogrammés par transplantation dans un cytoplasme étranger1252
La reprogrammation d'un noyau transplanté requiert des changements épigénétiques drastiques1252
Les cellules souches embryonnaires (ES) peuvent générer n'importe quelle partie du corps1253
Un ensemble de base de régulateurs transcriptionnels définit et maintient l'état de cellule ES1254
Des fibroblastes peuvent être reprogrammés pour créer des cellules souches pluripotentes induites (cellules iPS)1254
La reprogrammation met en jeu un dérèglement massif du système de contrôle des gènes1255
Une manipulation expérimentale des facteurs qui modifient la chromatine peut accroître l'efficacité de la reprogrammation1256
Les cellules ES et iPS peuvent être induites à se différencier en types cellulaires adultes spécifiques, et même générer des organes entiers1256
Les cellules d'un type spécialisé peuvent être forcées à se transdifférencier directement en un autre type1258
Les cellules ES et iPS peuvent être aussi utiles à la découverte de médicaments et à l'analyse des maladies1258
Résumé1260
Références1261
Chapitre 23 Les pathogènes et les infections1263
Introduction aux microbes pathogènes et au microbiote humain
1263
Le microbiote humain est un système écologique complexe qui est important pour notre développement et notre santé1264
Les pathogènes interagissent avec leurs hôtes de différentes façons1264
Les pathogènes peuvent contribuer au cancer, aux maladies cardiovasculaires et à d'autres maladies chroniques1265
Les pathogènes peuvent être des virus, des bactéries ou des eucaryotes1266
Les bactéries sont diverses et occupent une variété remarquable de niches écologiques1267
Les bactéries pathogènes sont porteuses de gènes de virulence spécifiques1268
Les gènes de virulence bactériens codent des protéines effectrices et sécrètent les systèmes qui fournissent les protéines effectrices aux cellules hôtes1269
Les champignons et les protozoaires parasites ont des cycles de vie complexes impliquant des formes multiples1271
Tous les aspects de la propagation des virus dépendent de la machinerie de la cellule hôte1273
Résumé1275
Biologie cellulaire de l'infection
1276
Les pathogènes traversent des barrières épithéliales pour infecter l'hôte1276
Les pathogènes qui colonisent un épithélium doivent surmonter les mécanismes de protection de celui-ci1276
Les pathogènes extracellulaires perturbent les cellules hôtes sans y pénétrer1277
Les pathogènes intracellulaires ont des mécanismes qui leur permettent d'entrer et de sortir des cellules hôtes1278
Les virus se fixent sur des récepteurs de surface de la cellule hôte1279
Les virus entrent dans les cellules hôtes par fusion avec la membrane, formation d'un pore ou rupture membranaire1280
Les bactéries entrent dans leur hôte en se faisant phagocyter par ses cellules1281
Les parasites eucaryotes intracellulaires envahissent activement les cellules hôtes1282
Certains pathogènes intracellulaires s'échappent du phagosome vers le cytosol1284
De nombreux pathogènes modifient le trafic membranaire de la cellule hôte pour y survivre et se répliquer1284
Les virus et les bactéries utilisent le cytosquelette de la cellule hôte pour leurs déplacements intracellulaires1286
Les virus peuvent prendre le contrôle du métabolisme de la cellule hôte1288
Les pathogènes peuvent évoluer rapidement par variation antigénique1289
Une réplication du génome peu fidèle domine l'évolution virale1291
Les pathogènes résistants aux médicaments posent un problème croissant1291
Résumé1294
Références1295
Chapitre 24 Les systèmes immunitaires inné et adaptatif1297
Le système immunitaire inné
1298
Les surfaces épithéliales servent de barrières contre les infections1298
Les récepteurs de reconnaissance des patterns (PRR) reconnaissent les propriétés conservées des pathogènes1298
Il y a des classes multiples de PRR1299
Les PRR activés déclenchent une réaction inflammatoire sur le site de l'infection1300
Les cellules phagocytaires recherchent, engloutissent et détruisent les pathogènes1301
L'activation du complément marque les pathogènes en vue de leur phagocytose ou de leur lyse1302
Les cellules infectées par un virus prennent des mesures drastiques pour éviter sa réplication1303
Les cellules tueuses naturelles (cellules NK) induisent le suicide des cellules infectées par un virus1304
Les cellules dendritiques établissent le lien entre les systèmes immunitaires inné et adaptatif1305
Résumé1305
Vue d'ensemble du système immunitaire adaptatif
1307
Les lymphocytes B se développent dans la moelle osseuse, les lymphocytes T dans le thymus1308
La mémoire immunologique dépend à la fois de l'expansion clonale et de la différenciation des lymphocytes1309
Les lymphocytes recirculent continuellement entre les organes lymphoïdes périphériques1311
L'auto-tolérance immunologique garantit que les lymphocytes B et T n'attaquent pas les cellules et les molécules normales de l'hôte1313
Résumé1315
Les lymphocytes B et les immunoglobulines
1315
Les lymphocytes B produisent des immunoglobulines (Ig) à la fois sous forme de récepteurs de la surface cellulaire et d'anticorps sécrétés1315
Les mammifères fabriquent cinq classes d'Ig1316
Les chaînes légères et lourdes des Ig sont composées de régions constantes et de régions variables1318
Les gènes des Ig sont assemblés à partir de segments géniques séparés pendant le développement des lymphocytes B1319
L'hypermutation somatique entraînée par les antigènes règle finement les réponses par anticorps1321
Les lymphocytes B peuvent changer la classe d'Ig qu'ils produisent1322
Résumé1323
Les lymphocytes T et les protéines du CMH
1324
Les récepteurs des lymphocytes T (RCT) sont des hétérodimères de type anticorps1325
Les cellules dendritiques activées activent les lymphocytes T naïfs1326
Les lymphocytes T reconnaissent les peptides étrangers fixés aux protéines du CMH1326
Les protéines du CMH sont les plus polymorphes des protéines humaines connues1330
Les corécepteurs CD4 et CD8 des lymphocytes T se fixent sur les parties invariantes des protéines du CMH1331
Les thymocytes en développement subissent une sélection négative et une sélection positive1332
Les lymphocytes T cytotoxiques conduisent les cellules cibles infectées au suicide1333
Les lymphocytes T auxiliaires effecteurs facilitent l'activation des autres cellules des systèmes immunitaires inné et adaptatif1335
Les lymphocytes T auxiliaires naïfs peuvent se différencier en différents types de lymphocytes T effecteurs1335
Aussi bien les lymphocytes B que les lymphocytes T ont besoin de signaux extracellulaires multiples pour être activés1336
Beaucoup de protéines de la surface cellulaire appartiennent à la superfamille des Ig1338
Résumé1339
Références1340
GlossaireG : 1
IndexI : 1
TableauxT : 1