Cellules spécialisées, tissus et expression différenciée des gènes

De la cellule à l'organisme

Un organisme pluricellulaire comme l'être humain compte des milliards de cellules qui n'ont ni la même forme ni le même rôle. Une cellule est dite spécialisée lorsque sa structure et son fonctionnement sont adaptés à une fonction précise. Des cellules spécialisées semblables, associées à une même fonction, forment un tissu : tissu musculaire, tissu nerveux, épiderme. Plusieurs tissus associés constituent un organe, comme l'estomac ou la peau.

Une même information génétique dans presque toutes les cellules

Un organisme pluricellulaire provient d'une cellule unique, l'œuf, qui se divise par mitoses. Chaque mitose conserve l'information génétique : presque toutes les cellules d'un individu possèdent donc le même ADN, c'est-à-dire le même génome. Un gène est une portion d'ADN qui porte l'information nécessaire à la fabrication d'une molécule fonctionnelle, le plus souvent une protéine. Les cellules reproductrices, qui ne contiennent que la moitié des chromosomes, et les globules rouges matures des mammifères, qui n'ont plus de noyau, sont des exceptions.

L'expression différenciée des gènes

Un gène s'exprime lorsque son information est lue pour produire un ARN messager, puis utilisée pour fabriquer la protéine correspondante. Toutes les cellules n'expriment pas les mêmes gènes. Certains gènes, utiles à toutes les cellules, comme ceux d'enzymes de la respiration cellulaire, s'expriment partout. D'autres ne s'expriment que dans un type cellulaire. Les protéines produites déterminent la forme, les constituants et le fonctionnement de la cellule. La différenciation est le processus par lequel une cellule acquiert ses caractéristiques de cellule spécialisée grâce à l'expression de certains gènes.

Exemple concret

Chez l'être humain, trois types cellulaires illustrent cette idée.

• Le gène de l'insuline est exprimé dans certaines cellules du pancréas, les cellules bêta, qui sécrètent cette hormone.
• Les gènes de l'actine et de la myosine sont exprimés dans les cellules musculaires, dont ils permettent la contraction.
• Le gène de la globine est exprimé dans les cellules précurseurs des globules rouges, qui fabriquent l'hémoglobine transportant le dioxygène.

Pourtant, chacune de ces cellules contient tous ces gènes. Chacune n'exprime fortement que ceux qui correspondent à sa fonction, en plus des gènes communs à toutes les cellules.

Un piège à éviter

On croit souvent qu'une cellule musculaire ne possède que les gènes « du muscle » et qu'elle a perdu les autres. C'est faux : le gène de l'insuline est bien présent dans son ADN, mais il n'est pas exprimé. La spécialisation ne vient donc pas d'une différence de gènes possédés, mais d'une différence de gènes exprimés. Une protéine absente dans une cellule n'indique pas que le gène a disparu, seulement qu'il n'est pas utilisé dans cette cellule.

À retenir

• Cellule spécialisée : structure adaptée à une fonction.
• Tissu : cellules semblables réunies pour une même fonction.
• Même génome, mais expression différente des gènes d'un type cellulaire à l'autre.

Exercice 1 : Gènes exprimés selon le type de cellule

Données pédagogiques simplifiées. On recherche l'ARN messager de quatre gènes dans trois types de cellules humaines (+ : détecté, − : non détecté).

1. Repérez le gène exprimé dans les trois types cellulaires et proposez une explication.
2. Associez chaque autre gène à son type cellulaire.
3. Peut-on affirmer que la cellule musculaire ne possède pas le gène de l'insuline ? Justifiez.

Exercice 2 : Quantité d'ADN dans les noyaux

Données pédagogiques simplifiées. Quantité d'ADN par noyau, en picogrammes (pg).

1. Calculez le rapport entre la quantité d'ADN du spermatozoïde et celle d'une cellule de foie.
2. Que montre la comparaison foie, neurone, muscle ?
3. Expliquez la valeur du spermatozoïde.

Exercice 3 : Structure et fonction

Trois cellules sont décrites. Cellule X : allongée, riche en filaments d'actine et de myosine, nombreuses mitochondries. Cellule Y : réticulum endoplasmique rugueux et appareil de Golgi très développés, vésicules pleines d'enzymes digestives. Cellule Z : disque aplati au centre creux, sans noyau, remplie d'hémoglobine. Fonctions possibles : A, transporter le dioxygène ; B, se contracter ; C, sécréter des enzymes digestives.

1. Associez chaque cellule à sa fonction.
2. Justifiez chaque association par un caractère structural.
3. Définissez un tissu et nommez celui de la cellule X.
4. Les cellules X et Y ont le même génome. Expliquez leur différence.

Correction complète

Exercice 1 : correction

1. Le gène de l'enzyme de la respiration cellulaire est détecté (+) dans les trois types de cellules. Toutes les cellules ont besoin d'énergie, donc de cette fonction de base : ce gène s'exprime partout.
2. Insuline : cellule bêta du pancréas. Myosine : cellule musculaire. Globine : précurseur de globule rouge. Chaque type exprime un gène spécifique, en plus du gène commun.
3. Non. L'absence d'ARN messager (−) montre que le gène n'est pas exprimé, pas qu'il est absent. Un gène peut être présent et inutilisé dans une cellule. L'exercice 2 appuie cette idée.

Exercice 2 : correction

1. Rapport = 3,2 ÷ 6,4 = 0,5. Le spermatozoïde contient deux fois moins d'ADN qu'une cellule de foie, soit la moitié.
2. Foie, neurone et fibre musculaire contiennent la même quantité, 6,4 pg. La spécialisation ne s'accompagne donc pas d'une perte d'ADN, ce qui est cohérent avec un génome identique. Cette égalité de quantité ne prouve pas à elle seule l'identité des séquences, mais elle s'accorde avec le fait que les mitoses conservent l'information génétique.
3. Le spermatozoïde est une cellule reproductrice haploïde : il ne possède que la moitié des chromosomes, formée lors de la méiose. À la fécondation, deux cellules reproductrices s'unissent : 3,2 + 3,2 = 6,4 pg, valeur retrouvée dans l'œuf, puis dans toutes les cellules du corps.

Exercice 3 : correction

1. X correspond à B (se contracter), Y à C (sécréter des enzymes digestives), Z à A (transporter le dioxygène).
2. X : l'actine et la myosine permettent la contraction, et les nombreuses mitochondries fournissent l'énergie nécessaire. Y : le réticulum rugueux et l'appareil de Golgi fabriquent et préparent des protéines, et les vésicules les stockent avant leur sécrétion. Z : l'hémoglobine fixe le dioxygène, l'absence de noyau libère de la place pour elle, et la forme aplatie offre une grande surface d'échange.
3. Un tissu est un ensemble de cellules semblables, spécialisées dans une même fonction. Celui de la cellule X est le tissu musculaire.
4. X et Y possèdent les mêmes gènes. Elles diffèrent car elles n'expriment pas les mêmes gènes : X exprime ceux de l'actine et de la myosine, Y ceux des enzymes digestives et de la machinerie de sécrétion. Ce sont les protéines produites qui donnent à chaque cellule sa structure et sa fonction.