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Muriel Perron Bât. 445 Cours Master 2 Octobre 2006 Les cellules souches neurales

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Présentation au sujet: "Muriel Perron Bât. 445 Cours Master 2 Octobre 2006 Les cellules souches neurales"— Transcription de la présentation:

1 Muriel Perron Bât. 445 Cours Master 2 Octobre 2006 Les cellules souches neurales

2 Les cellules souches: généralités Les cellules souches neurales Les cellules souches de la rétine La signalisation moléculaire Plan du cours

3 Quest-ce quune cellule souche? Une cellule souche a la capacité unique de: sauto-renouveler indéfiniment ou de manière prolongée produire différentes cellules spécialisées (différenciées)

4 La division dune cellule souche est asymétrique - les cellules filles ne sont pas identiques, et seule une des deux est identique à la cellule mère Divisions asymétriques Quentend-on par auto- renouvellement?

5 Où trouve-t-on des cellules souches? Les cellules souches embryonnaires dérivent de la masse interne du blatocyste (embryon de 4-5 jours) Les cellules souches adultes dérivent de tissues adultes

6 Les cellules souches embryonnaires ou cellules ES Pluripotentes potentiel de produire tous les types cellulaires (plus de 200 différents types de cellules)

7 Multipotentes Les cellules souches adultes

8 EMBRYONNAIRES Les cellules souches EMBRYONNAIRES produisent des progéniteurs qui, à leur tour, se différentient en cellules spécialisées créant tissus et organes ADULTES Les cellules souches ADULTES participent au renouvellement et à la réparation des tissus adultes Rôle des cellules souches?

9 Plasticité innatendue des cellules souches adultes Le dogme voulait que chaque organe héberge les cellules souches spécialisées qui lui sont propres. Or selon les conditions de culture, ou dans des expériences de transplantations cellulaires, des cellules souches adultes peuvent se différencier en cellules dun tissu dont elles ne proviennent pas

10 rescue lethally irradiated mice. Les cellules souches de la moelle osseuse peuvent se différencier en cellules nerveuses, du foie, du muscle cardiaque, du muscle squeletique… Plasticité innatendue des cellules souches adultes

11 Remise en question de la plasticité des cellules souches adultes Dans certains cas des chercheurs ont suspecté des phénomènes de fusion cellulaire qui pourraient être responsables dune partie de ces observations de plasticité des cellules souches. Mais la fusion cellulaire est un évênement rare qui ne permet sans doute pas dexpliquer toutes les observations de transdifférenciation.

12 Environnement stable pour les cellules souches Les niches sont des ensembles de tissus et de matrices extracellulaires qui peuvent indéfiniment héberger des cellules souches et contrôler leur auto-renouvellement et leur production cellulaire in vivo. Concept de niches

13 Potentiel médical des cellules souches Les cellules souches pourraient un jour remplacer les cellules endommagées dans le corps. Médecine régénérative Specific Tissues can be grown from Stem cells under special conditions

14 Aujourdhui : lymphome, leucémie. Demain? Parkinson, maladies cardiaques, diabète… Potentiel médical des cellules souches

15 Sources de cellules souches embryonnaires Embryons excédentaires provenant de cliniques de fécondation in vitro (FIV) Embryons créés à des fins de recherche par FIV Lignées de cellules souches embryonnaires existantes Transfert de noyau dune cellule somatique Il est possible de produire des cellules souches embryonnaires à partir dune cellule somatique adulte par transfert de noyau; le noyau dune cellule adulte est ainsi fusionné avec un ovule dont on a retiré le noyau.

16 Transfert de noyau dune cellule somatique Le clonage thérapeutique a pour but de récolter des cellules souches embryonnaires en vue de mener des recherches sur déventuels traitements lembryon sert à fabriquer des cellules souches embryonnaires. Le clonage reproductif a pour but de créer un nouvel organisme, identique à la cellule adulte donneuse le blastocyste est implanté dans lutérus. Les clonages thérapeutiques et reproductifs commencent tous deux par un transfert de noyau dune cellule somatique, mais le clonage reproductif permet au blastocyste de se transformer en un fœtus.

17 Les premières expériences de transplantation nucléaires Le clonage de têtards a montré que les noyaux de cellules animales différenciées gardaient tout leur potentiel génétique. Tadpole (frog larva) Intestinal cell Frog egg cell Nucleus UV Nucleus destroyed Transplantation of nucleus Eight-cell embryo Tadpole Gurdon,

18 Le 1er mammifère cloné sappelle Dolly et a été produit en 1997 La première expérience de transplantation nucléaire chez un mammifère

19 Débat éthique Les cellules souches embryonnaires pourraient sauver de nombreuses vies. Il faut effectuer des recherches sur les cellules souches embryonnaires.

20 Débat éthique (suite) Récolter des cellules souches embryonnaires à partir dun embryon précoce le détruit.

21 « Le clonage thérapeutique mènera au clonage reproductif». Débat éthique (suite)

22 La recherche sur les embryons humains fait l'objet d'une législation, qui varie suivant les pays. En France, la loi du 29 juillet 1994 permet uniquement les recherches sur les cellules de foetus obtenus à la suite d'une interruption volontaire de grossesse. le clonage est interdit quel qu'il soit, reproductif ou thérapeutique Le projet de loi relatif à la bioéthique du 20 juin 2001 a notamment pour objet d'autoriser les recherches sur l'embryon et les cellules souches embryonnaires sous certaines conditions : Les recherches ont une finalité médicale qui ne peut pas être atteinte avec la même efficacité par une autre méthode Les deux membres du couple à l'origine de l'embryon en ont fait explicitement don à la recherche Les protocoles expérimentaux ont été dûment autorisés par les ministres concernés après avis de l'agence de la procréation, de l'embryologie et de la génétique humaine. Les recherches sur les embryons humains et les cellules souches humaines sont-elles autorisées en France ? Les recherches sur les embryons humains et les cellules souches humaines sont-elles autorisées en France ? Législation relative aux cellules souches embryonnaires

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24 Adultes Différenciation limitée : multipotent + plasticité Rares dans les tissus matures Difficiles à cultiver en culture Plus éthiques que les cellules souches embryonnaires Embryonnaires Différenciation illimitée: pluripotent Présentes en grand nombre Faciles à cultiver en culture Différences entre cellules souches adultes et cellules souches embryonnaires

25 Les cellules souches: généralités Les cellules souches neurales Les cellules souches de la rétine La signalisation moléculaire Plan du cours

26 Neurogenèse adulte? Dans certains tissus, la perte de cellules, naturelle ou après une blessure, est compensée par la prolifération et la différenciation de cellules souches. Un dogme en neurobiologie disait quétant donné que la perte de neurones dans le CNS, dus à des processus dégénératifs, ne sont pas remplacés, le CNS des mamifères ne possède pas de population de cellules souches. We are born with a certain number of brain cells which decrease with age. Everything must die in the brain or spinal cord - nothing can regenerate. Ramon y Cajal 1902

27 Le premier indice suggérant lexistence de neurogenèse dans certaines régions du cerveau de mammifère date de 1965 (marquage en thymidine tritiée). Cest seulement en 1993, grâce à de nouvelles techniques de marquage des cellules en prolifération (retrovirus, BrdU), que ceci a clairement été montré. La première évidence de cellules capable de sauto- renouveler et multipotentes dans le cerveau date de Neurogenèse adulte?

28 Une cellule souche neurale a la capacité de sauto-renouveler et de donner les trois types majeurs du CNS des mammifères: les neurones, les astrocytes et les oligodendrocytes Quest ce quune cellule souche neurale?

29 Galli et al., 2003 Où trouve-t-on des cellules souches neurales? Régions principales où de la neurogenèse a lieu pendant toute la vie adulte (en gris): Bulbe olfactif Hippocampe Régions qui contiennent les cellules souches (en noir): Zone subventriculaire Gyrus denté De la neurogenèse est à présent également trouvée dans le cervelet, le cortex…

30 Taupin et Gage, 2002; Galli et al, 2003 Environ nouveaux neuroblastes sont produits chaque jour qui migrent vers le bulbe olfactif Les cellules souches de la zone subventriculaire

31 Quelle est lorigine des cellules souches neurales? Reste de cellules souches embryonnaires? Ependymal cells? Glie radiale? Astrocytes? 2003

32 Comportement ex vivo des cellules souches neurales Okano, 2002

33 Plasticité des cellules souches neurales en dehors du SNC innatendu Après injections intraveineuses, des cellules souches neurales adultes sont capables de donner des cellules hématopoïétiques. Science 1999

34 Potentiel de différenciation innatendu Après co-culture avec des myoblastes ou injection dans le muscle squeletique, des cellules souches neurales adultes sont capables de donner des cellules musculaires.

35 Régénération de neurones à partir des cellules souches endogènes après une attaque cérébrale Potentiel de régénération à partir des cellules souches neurales endogènes Mais 80% des nouveaux neurones meurent. Seuls environ 0,2% des neurones détruits sont remplacés. Stimuler la formation ou la survie des nouveaux neurones (FGF-2, EGF, brain-derived neurotrophic factor, cascase inhibitors)

36 Taupin, C. R. Biologies, 2006 Modulation of neurogenesis in the adult brain

37 Thousands of new neurons are continuously produced in the dentate gyrus. Function of these newborn? Exposure of animals to an enriched environment leads to improvement of performance in several learning tasks and enhances neurogenesis specifically in the hippocampus. Do these new neurons participate in memory improvement induced by enrichment? S. Laroche Experiment: Neurogenesis was reduced throughout the environmental enrichment period using the antimitotic agent methylazoxymethanol acetate (MAM). Result: MAM treatment completely prevented the enrichment-induced long-term memory improvement. Adult-generated neurons participate in modulating memory function Bruel-Jungerman et al., 2006

38 Les cellules souches: généralités Les cellules souches neurales Les cellules souches de la rétine La signalisation moléculaire Plan du cours

39 Les cellules rétiniennes Photoreceptors, rods and cones, are found in the outer layer of the retina. Their outer segments are membranous structures that capture light and carry out phototransduction. They form synapses with bipolar and horizontal cells, found in the inner nuclear layer. Also in the inner nuclear layer are amacrine cells, which synapse with bipolar cells and the output cell type, ganglion cells. Ganglion cells then send the result of all of this processing to the brain via the optic nerve.

40 La rétine: Introduction Analyse clonale: Les rétinoblastes sont multipotents

41 La rétine des amphibiens et des poissons

42 ProliférationSortie du cycle cellulaireRétine mature La rétine des amphibiens et des poissons

43 Cellules souches Neuroblastes Précurseurs en différenciation ZMC Epithéliumpigmenté Rétine neurale Nerfoptique Cristallin Les cellules souches rétiniennes des amphibiens ZMC = zone marginale ciliaire Harris et Perron, 1998

44 2000

45 En culture, les cellules de lépithélium ciliaire sont capables de former des neurosphères … Les cellules souches rétiniennes des mammifères Tropepee et al. 2000, Ahmad 2001

46 Les cellules souches rétiniennes des mammifères Colonie de cellules dérivées de corps cilaire de rétine Exemple dune cellule neurale dérivée dune telle colonie Tsonis 2004 … et de se différencier en divers types de neurones rétiniens

47 Les cellules souches rétiniennes des mammifères Le corps ciliaire a deux fonctions : o la sécrétion de l'humeur aqueuse o laccommodation (le muscle ciliaire permet l'accomodation par les changements de forme du cristallin) Le corps ciliaire est situé entre liris et la rétine neurale Origine embryonnaire commune avec la rétine neurale

48 Stem cells could restore vision………

49 En France, environ personnes sont concernées par les maladies dégénératives oculaires héréditaires et plus de 1,5 million par les dégénérescences maculaires liées à l'âge. Les formes les plus fréquentes de dégénérescences rétiniennes sont: la rétinite pigmentaire ( personnes en France) le syndrome de Usher (1 naissance sur ) les dégénérescences de la macula (10 % de la population de plus de 50 ans) Les maladies dégénératives oculaires

50 Traitements de maladies dégénératives oculaires 2001

51 Transplantation into the mouse eye The EGFP human RSCs and progeny are able to survive and integrate into the neural retina and the RPE. Coles et al., PNAS 2005

52 Limitations Disponibilité des cellules souches rétiniennes limitée Manque de connaissances de la reproductibilité des expériences de transplantation Etablissement des connections avec les autres neurones Potentiel oncogénique

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54 Tsonis 2004 Réponse des cellules gliales de Müller à une dégénération rétinienne induite au N-methyl-D- aspartate (NMDA) Les cellules gliales de Müller: des cellules souches rétiniennes ? BrdU + Müller BrdU + Neuron

55 Les cellules souches: généralités Les cellules souches neurales Les cellules souches de la rétine La signalisation moléculaire Plan du cours

56 Auto-renouvellement? Multipotence? Fonction chez ladulte?

57 Stem cell niches in zebrafish retina Raymond et al., BMC Developmental Biology, 2006

58 Development 2005

59 La cascade de signalisation Hedgehog

60 Objective Investigate the possible involvement of the Hh pathway in the control of stem cell lineages in the postnatal and adult forebrain SVZ

61 Gene expression in single SVZ cells single cell multiplex RT-PCR from single randomly collected SVZ cells with a patch- clamp pipette 17% of the cells co-expressed both genes, confirming that one population of GFAP+ cells, known to be stem cells, express Gli1 Not all GFAP+ cells expressed Gli1 Many Gli1+ cells did not express GFAP, suggesting that more abundant precursors also respond, or may have recently responded, to Shh signaling

62 Cyclopamine inhibits SVZ cell proliferation in vivo - cyclopamine injection - BrdU injection - harvest tissus after 2 hours

63 Reduced number of newborn interneurons in the adult olfactory bulb after cyclopamine treatment. - cyclopamine injection - BrdU injection - harvest tissus after 30 days

64 Shh signaling regulates SVZ proliferation and neurogenesis.

65 Shh treatment increases the number of neurospheres -culture with or withour Hh for 4 days - dissociated -Culture in EGF for neurosphere formation for 1 week

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70 Bilan Auto-renouvellement? Multipotence? Fonction chez ladulte? Hedgehog Wnt Notch Retinoic acid BMI-1 Croissance Réparation Mémoire

71 Cellules souches et cancer 2001

72 Première évidence de cellules issues de tumeurs du cerveau ayant des caractéristiques de cellules souches: 2002 Brain tumour stem cells Reviewed in Vescovi et al., Nature reviews 2006

73 - autorenouvellement (neurospheres) - autorenouvellement in vivo (capacité dinitier une tumeur) - multipotence (astrocytes + neurones) - expression de marqueurs de cellules souches neurales Brain tumour stem cells

74 Origine des cellules souches cancéreuses? Hypothèse traditionnelle: dédifférenciation dune cellule neurale en réponse à des altérations génétiques Concept du cancer stem cell: similitudes entre auto- renouvellement des cellules souches neurales et des cellules cancéreuses ØLes cancers pourraient dériver dune cellule souche dont les mécanismes dauto-renouvellement seraient dérégulés

75 Cellules souches et cancer

76 Figure 1. Les traitements anti-cancéreux traditionnels (en haut) tuent rapidement les cellules tumorales en division (rouge) mais leurs effets sont souvent transitoires, suggérant la persistance de cellules souches cancéreuses (bleu), à lorigine de la récurrence tumorale. Lenjeu actuel (en bas) consiste à développer des outils thérapeutiques capables de cibler directement les cellules souches cancéreuses, afin dobtenir des rémissions à plus long terme. Cellules souches et cancer

77 Risques de tératomes dans les greffes de cellules souches Limplantation de cellules ES de souris dans le cerveau de souris conduit à la formation de tératomes dans 20% des cas. Le risque est réduit si les cellules ont été préalablement différenciées in vitro.

78 Mais encore… Combien de différents types de cellules souches existe-t-il chez ladulte? Quelle est la source des cellules souches adultes? Pourquoi les cellules souches restent- elles indifférenciées quand toutes les cellules autours delles se sont différenciées? Est-ce que les cellules souches adultent présentent normalement une certaine plasticité ou bien est ce quelles se trans-différencient uniquement quand les scientifiques les manipulent expérimentalement? Quels sont les signaux qui régulent la prolifération, la différenciation, la plasticité des cellules souches?


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