Différenciation d'un type cellulaire : la cellule musculaire striée squelettique

Résumé en cinq points

Notions et mécanismes

Le muscle strié squelettique dans le membre

Le membre chiridien est constitué de nombreux tissus qui assurent le soutien et la mobilité. Les os fournissent des pièces rigides articulées, les muscles produisent les forces, les tendons transmettent ces forces aux os.

Un muscle strié squelettique est un organe. Il est formé de cellules musculaires groupées en faisceaux, entourées d'enveloppes de tissu conjonctif qui se prolongent aux extrémités par les tendons. Il est innervé par des motoneurones dont les axones pénètrent dans le muscle et établissent un contact avec chaque cellule musculaire. Il est irrigué par un réseau de capillaires sanguins dense, adapté à une consommation d'énergie très variable.

Ces trois relations, insertion sur les os, innervation motrice et irrigation, sont à mentionner systématiquement, car chacune est indispensable au fonctionnement.

La cellule musculaire striée squelettique

La cellule musculaire striée squelettique, ou myocyte strié squelettique, est remarquable par trois caractères.

Elle est très allongée, souvent longue de plusieurs millimètres à plusieurs centimètres, pour un diamètre de quelques dizaines de micromètres. Elle s'étend fréquemment sur toute la longueur du faisceau qui la contient.

Elle est plurinucléée. Elle contient des dizaines à des centaines de noyaux, plaqués contre la membrane plasmique à la périphérie de la cellule. Cette plurinucléation s'explique par son origine, la fusion de nombreuses cellules précurseurs.

Son cytoplasme est presque entièrement occupé par des myofibrilles, longs cylindres parallèles à l'axe de la cellule. S'y ajoutent de nombreuses mitochondries insérées entre les myofibrilles, un réseau membranaire interne particulier qui stocke le calcium, et des réserves de glycogène.

Le sarcomère, unité contractile

Chaque myofibrille est formée par la répétition en série d'une même unité, le sarcomère. Une myofibrille est donc un empilement bout à bout de milliers de sarcomères identiques, ce qui explique la striation transversale visible au microscope optique, puisque tous les sarcomères des myofibrilles voisines sont alignés.

Un sarcomère est délimité par deux stries transversales denses. Il mesure environ 2 micromètres au repos. Il contient deux types de filaments protéiques.

Les filaments fins sont constitués principalement d'actine. Ils sont ancrés par une extrémité sur la strie qui borde le sarcomère et dirigés vers son centre. Des protéines associées les accompagnent, dont l'une, sensible au calcium, joue un rôle de commande.

Les filaments épais sont constitués de myosine. Ils occupent la partie centrale du sarcomère. Chaque molécule de myosine présente une tête globulaire portant un site de fixation à l'actine et un site d'hydrolyse de l'ATP.

L'observation en microscopie électronique montre l'alternance d'une bande sombre, où les filaments épais sont présents, et de bandes claires, où seuls les filaments fins sont présents de part et d'autre de la strie transversale.

Le couplage chimio-mécanique

La contraction résulte d'un couplage chimio-mécanique, c'est-à-dire de la conversion de l'énergie chimique de l'ATP en travail mécanique, réalisée par l'interaction entre l'actine et la myosine.

Le principe est celui du glissement des filaments. Les filaments ne se raccourcissent pas. Les filaments fins glissent le long des filaments épais et se rapprochent du centre du sarcomère. Le sarcomère se raccourcit donc, et le raccourcissement de milliers de sarcomères en série produit celui de la cellule entière.

Le mécanisme est cyclique. Une tête de myosine porteuse des produits d'hydrolyse de l'ATP se fixe sur l'actine. Elle pivote alors, ce qui tire le filament fin. Elle libère ses produits d'hydrolyse. La fixation d'une nouvelle molécule d'ATP provoque son détachement de l'actine. L'hydrolyse de cet ATP replace la tête dans sa position initiale, prête pour un nouveau cycle. Chaque tête répète ce cycle indépendamment des autres, et à tout instant une partie seulement des têtes est attachée, ce qui permet un raccourcissement continu.

Deux conséquences sont à retenir. L'ATP est nécessaire aussi bien à la production de force qu'au détachement des têtes, ce qui explique la forte densité de mitochondries et les réserves de glycogène de la cellule. Et la force produite dépend du nombre de têtes engagées, donc du degré de chevauchement entre filaments fins et filaments épais.

Le rôle du calcium et la commande nerveuse

Au repos, l'interaction entre actine et myosine est empêchée. Les sites de fixation de la myosine sur les filaments fins sont masqués par des protéines associées.

Le déclenchement dépend d'un flux calcique. Une élévation de la concentration de calcium dans le cytoplasme modifie la conformation des protéines de commande du filament fin, ce qui démasque les sites de fixation et autorise les cycles de ponts. Le retour du calcium dans les réserves internes, assuré par des transporteurs consommant de l'ATP, masque à nouveau les sites et provoque le relâchement.

Ce flux calcique est lui-même déclenché par un potentiel d'action. Le motoneurone conduit un potentiel d'action jusqu'à son contact avec la cellule musculaire. Il en résulte un potentiel d'action qui se propage le long de la membrane de la cellule musculaire et provoque la libération du calcium stocké. Le programme précise que les modalités de ce couplage entre excitation et contraction ne sont pas exigibles. Ce qu'il faut retenir est la chaîne logique, commande nerveuse, potentiel d'action musculaire, libération de calcium, démasquage des sites, cycles de ponts, glissement, raccourcissement.

L'origine et la différenciation des cellules musculaires

Les cellules musculaires striées squelettiques des membres proviennent de cellules souches issues des somites, ces blocs de mésoderme mis en place lors de la neurulation. Ces cellules migrent jusqu'au bourgeon de membre.

Elles y donnent des précurseurs appelés myoblastes. Les myoblastes sont mononucléés et prolifèrent activement, ce qui constitue la phase d'amplification du nombre de cellules.

La différenciation est un processus séquentiel, et son déclenchement implique l'arrêt de la prolifération. Cette exclusion réciproque entre division et différenciation est un point essentiel. Une cellule ne peut pas à la fois se multiplier et construire son appareil contractile.

Les myoblastes sortis du cycle cellulaire fusionnent alors entre eux. Cette fusion engendre des cellules plurinucléées allongées, dans lesquelles se met en place progressivement l'appareil contractile, myofibrilles et sarcomères. Les noyaux gagnent ensuite la périphérie.

La maturation terminale dépend de l'innervation par les motoneurones. Une cellule qui n'établit pas de contact fonctionnel avec un motoneurone n'achève pas sa maturation. L'activité nerveuse influence aussi durablement les propriétés de la cellule.

Il faut distinguer deux étapes du processus. La détermination est l'engagement d'une cellule dans une voie de différenciation. Elle est stable et transmissible aux cellules filles, mais elle ne se voit pas, la cellule déterminée ressemblant encore à une cellule indifférenciée. La différenciation proprement dite est l'acquisition des caractères structuraux et fonctionnels observables.

Le contrôle génétique de la différenciation musculaire

La détermination puis la différenciation reposent sur l'expression séquentielle de facteurs de transcription spécifiques, appelés facteurs myogéniques. Ce sont des protéines qui se fixent sur des séquences régulatrices et activent les gènes du programme musculaire, notamment ceux des protéines contractiles.

L'ordre compte. Certains de ces facteurs sont exprimés tôt et assurent la détermination du myoblaste. D'autres sont exprimés plus tard et commandent la différenciation terminale, la sortie du cycle cellulaire, la fusion et la construction des sarcomères. Le programme des gènes musculaires s'exécute donc par vagues.

Ce déroulement est contrôlé par des rétroactions. Les facteurs de transcription agissent les uns sur les autres, certains entretenant leur propre expression, ce qui rend l'engagement stable et irréversible. Et ils sont soumis à des signaux paracrines venus des tissus voisins du bourgeon de membre, qui déterminent où et quand la différenciation musculaire a lieu. On retrouve ici, à l'échelle cellulaire, les mêmes principes d'induction que pour la mise en place des axes du membre.

La cellule musculaire mature illustre parfaitement la notion de cellule différenciée. Elle possède le même génome que toutes les cellules de l'organisme, mais elle n'en exprime qu'une partie, ce qui suffit à produire une structure entièrement adaptée à une fonction unique. Sa spécialisation est poussée au point d'être définitive, puisqu'elle ne se divise plus.

Exemples et organismes de référence

Une préparation de muscle strié squelettique frais dilacéré et coloré montre, au microscope optique, des cellules allongées à striation transversale régulière et à noyaux multiples situés en périphérie. Ce sont les trois critères d'identification à énoncer.

En microscopie électronique, l'organisation d'un sarcomère est directement visible, avec la bande sombre centrale, les bandes claires latérales et les stries transversales qui délimitent l'unité. La longueur d'un sarcomère au repos est d'environ 2 micromètres, ce qui donne de l'ordre de 5000 sarcomères en série dans un centimètre de myofibrille.

Une cellule musculaire striée squelettique mesure couramment de 10 à 100 micromètres de diamètre. Sa longueur peut atteindre plusieurs centimètres, et elle contient alors plusieurs centaines de noyaux, ce qui s'explique par la fusion d'autant de myoblastes.

L'expérience de référence sur les gènes myogéniques consiste à introduire dans des cellules non musculaires en culture le gène d'un facteur myogénique, puis à observer qu'elles se convertissent en cellules exprimant les protéines musculaires et capables de fusionner. Ce type de résultat montre qu'un seul facteur de transcription peut déclencher tout un programme de différenciation.

Méthodes et savoir-faire

Réaliser une préparation microscopique de muscle strié squelettique. Le principe est de prélever un fragment de muscle frais, de le dilacérer à l'aiguille dans une goutte de liquide de montage afin de séparer les cellules, puis d'observer sans coloration ou après coloration nucléaire. La dilacération est indispensable, car un fragment entier est trop épais pour être traversé par la lumière.

Identifier une cellule musculaire striée squelettique. En microscopie optique, les critères sont la forme très allongée, la striation transversale et la position périphérique des noyaux multiples. En microscopie électronique, ce sont l'organisation en myofibrilles, la répétition des sarcomères et l'abondance des mitochondries.

Ne pas confondre une coupe longitudinale et une coupe transversale. En coupe transversale, la striation n'apparaît pas, on voit des sections arrondies ou polygonales de cellules avec des noyaux plaqués contre la membrane et un cytoplasme finement ponctué par les sections de myofibrilles.

Analyser des données sur les gènes myogéniques. La démarche est celle du chapitre précédent. Une expérience de perte de fonction, invalidation d'un gène, teste la nécessité, l'absence de cellules musculaires prouvant que le gène est requis. Une expérience de gain de fonction, expression forcée du gène dans une cellule d'un autre type, teste la suffisance. La comparaison des moments d'expression des différents facteurs au cours du temps établit leur ordre d'intervention, et la comparaison de leurs effets réciproques établit les rétroactions.

Illustrer la notion de cellule différenciée. Il faut relier chaque caractère structural à la fonction, la striation à l'alignement des unités contractiles, la plurinucléation à la fusion et au besoin d'une forte synthèse protéique sur une grande longueur, l'abondance des mitochondries et du glycogène aux besoins en ATP, la richesse en réseau interne au stockage du calcium.

Ce qu'il faut savoir mobiliser en colle et à l'écrit

1. Le schéma des niveaux d'organisation emboîtés, muscle, faisceau, cellule, myofibrille, sarcomère, filaments, avec les ordres de grandeur.
2. Le schéma d'un sarcomère au repos et en contraction, montrant que la bande sombre garde la même longueur alors que les bandes claires se réduisent.
3. Le cycle des ponts actine-myosine en quatre positions successives, avec l'indication des étapes consommant de l'ATP.
4. La chaîne commande nerveuse, potentiel d'action, calcium, démasquage des sites, glissement, en une seule ligne logique.
5. La chronologie de la myogenèse, cellules souches somitiques, migration, myoblastes prolifératifs, arrêt du cycle, fusion, construction des sarcomères, maturation dépendante de l'innervation.
6. Le schéma du contrôle par les facteurs myogéniques, avec l'expression séquentielle, les rétroactions entre facteurs et l'action des signaux paracrines.
7. Piège fréquent, dire que les filaments se raccourcissent. Ils glissent, seule la longueur du sarcomère change.
8. Piège fréquent, affirmer que la différenciation supprime des gènes. Le génome reste complet, c'est son expression qui est sélective.

Notions et mécanismes clés

• Fibre musculaire : synonyme usuel de cellule musculaire striée squelettique. Le mot « fibre » ne désigne pas ici une structure extracellulaire.
• Syncytium : cellule plurinucléée issue d'une fusion de cellules. À distinguer d'un plasmode, issu de mitoses sans cytodiérèse.
• Nomenclature du sarcomère : strie Z aux limites, bande A (anisotrope, sombre) de la longueur d'un filament épais, bande I (isotrope, claire) de part et d'autre de chaque strie Z, zone H au centre de la bande A, là où les filaments fins ne pénètrent pas, ligne M au milieu.
• Filament fin : actine associée à la tropomyosine, qui masque les sites de fixation, et à la troponine, qui fixe le calcium.
• Filament épais : faisceau de myosines dont les têtes pointent vers les deux extrémités, avec une zone centrale dépourvue de têtes.
• Réticulum sarcoplasmique : réticulum endoplasmique lisse spécialisé qui stocke le calcium. Les modalités de sa libération ne sont pas exigibles.
• Rigidité cadavérique : blocage des têtes de myosine fixées sur l'actine faute d'ATP pour les détacher.
• Détermination : engagement stable et héritable dans une voie, invisible morphologiquement. Différenciation : acquisition des caractères observables.
• Myoblaste : précurseur mononucléé déterminé et prolifératif. Myotube : cellule plurinucléée jeune, noyaux en position centrale. Fibre mature : noyaux périphériques, sarcomères alignés.
• Cellule satellite : cellule souche de réserve placée contre la fibre adulte, capable de régénérer le muscle.
• Facteurs de régulation myogéniques : famille de facteurs de transcription dont MyoD, Myf5, myogénine et MRF4. Pax3 et Pax7 agissent en amont, dans les précurseurs.
• Autorégulation positive : un facteur active son propre gène, ce qui verrouille l'état déterminé.
• Redondance : deux gènes capables d'assurer la même fonction, si bien que l'invalidation d'un seul ne produit pas de phénotype.
• Nécessité et suffisance : testées respectivement par perte de fonction et par gain de fonction.

Chaînes de raisonnement

Du glissement à la courbe force-longueur. La force vient des têtes de myosine attachées, donc elle est proportionnelle au nombre de têtes qui font face à un filament fin. Si le sarcomère est très étiré, le chevauchement diminue et la force baisse jusqu'à s'annuler. S'il est très raccourci, les filaments fins issus des deux stries Z se chevauchent au centre du sarcomère, puis les filaments épais viennent buter sur les stries Z, et la force baisse aussi, ce qui donne un optimum de force pour une longueur intermédiaire.

Pourquoi l'ATP sert deux fois. La tête de myosine ne se détache de l'actine qu'après fixation d'un ATP, et elle ne se réarme qu'après son hydrolyse. Les pompes calciques du réticulum consomment aussi de l'ATP pour le relâchement. Sans ATP, la cellule ne se relâche donc pas, elle se bloque en contraction, ce qu'illustre la rigidité cadavérique.

Pourquoi la division exclut la différenciation. Construire des milliers de sarcomères alignés sur toute la longueur d'une cellule demande une synthèse massive et une architecture stable. Une mitose désorganiserait le cytosquelette et répartirait le contenu entre deux cellules. Les facteurs myogéniques tardifs activent donc des inhibiteurs du cycle, et les signaux qui entretiennent la prolifération retardent inversement la différenciation.

Pourquoi une fusion et pas une croissance. Une cellule de plusieurs centimètres ne peut pas être desservie par un seul noyau, la diffusion des ARN messagers et des protéines serait beaucoup trop lente. La fusion fournit des noyaux répartis tout le long de la fibre, chacun contrôlant son territoire de cytoplasme. La plurinucléation est donc à la fois une trace de l'histoire de la cellule et une nécessité fonctionnelle.

Du signal paracrine au verrouillage génétique. Des signaux issus des tissus voisins induisent dans les cellules du somite l'expression des premiers facteurs myogéniques. Ces facteurs activent leur propre gène et celui des autres, ce qui entretient l'état déterminé même quand le signal disparaît. L'induction transitoire devient ainsi une identité durable, transmise aux cellules filles.

De la migration à la position. Les précurseurs des muscles du membre quittent le somite avant d'exprimer les facteurs de détermination. Ils expriment un récepteur qui leur permet de suivre un signal émis par le mésenchyme du bourgeon. Ils ne s'engagent qu'une fois arrivés, ce qui explique qu'une anomalie de migration supprime les muscles du membre sans toucher ceux du tronc.

Exemples et références à connaître

1. Hugh Huxley et Jean Hanson, Andrew Huxley et Rolf Niedergerke, 1954 : observations indépendantes montrant que la bande A garde sa longueur pendant la contraction. Naissance du modèle du glissement.
2. Gordon, Huxley et Julian, 1966 : courbe tension-longueur sur fibre isolée de grenouille, avec un plateau de force maximale vers 2,0 à 2,2 micromètres et une force nulle au-delà d'environ 3,6 micromètres.
3. Ordres de grandeur : filament épais d'environ 1,6 micromètre, filament fin d'environ 1 micromètre depuis la strie Z, myofibrille d'environ 1 micromètre de diamètre, pas de la tête de myosine de l'ordre de 5 à 10 nanomètres par cycle.
4. Davis, Weintraub et Lassar, 1987 : l'expression forcée de MyoD dans des fibroblastes en culture les convertit en cellules musculaires capables de fusionner. Exemple canonique de suffisance.
5. Traitement de fibroblastes par la 5-azacytidine, agent de déméthylation de l'ADN : apparition de myoblastes. Montre qu'un gène « musculaire » est présent mais réduit au silence dans une cellule non musculaire.
6. Souris invalidées : MyoD seul ou Myf5 seul, muscles présents. Double invalidation MyoD et Myf5 (Rudnicki et collaborateurs, 1993), absence de myoblastes et de muscle squelettique. Invalidation de la myogénine, myoblastes présents mais fibres très rares, mort à la naissance.
7. Mutant Pax3 (souris Splotch) et mutant du récepteur c-Met : muscles du membre absents, muscles du tronc présents. Défaut de migration des précurseurs.
8. Buller, Eccles et Eccles, 1960 : l'innervation croisée d'un muscle lent par le nerf d'un muscle rapide, et inversement, modifie ses propriétés contractiles. L'activité nerveuse contrôle le phénotype de la fibre.
9. Mauro, 1961 : découverte des cellules satellites en microscopie électronique.

Techniques

Réaliser et exploiter la préparation microscopique

Protocole à réciter dans l'ordre. Prélever un fragment de muscle frais dans le sens des fibres. Le dilacérer à deux aiguilles dans une goutte d'eau physiologique jusqu'à obtenir des fibres isolées. Recouvrir d'une lamelle sans écraser. Observer au faible grossissement pour repérer les fibres, puis au fort grossissement pour la striation. Ajouter éventuellement un colorant nucléaire, vert de méthyle ou bleu de méthylène, par diffusion sous la lamelle.

Mini-exemple. Le jury demande pourquoi on voit mal les stries. Réponse : le diaphragme est trop ouvert. La striation est un contraste faible, il faut fermer le diaphragme ou abaisser le condenseur.

Lire un cliché de microscopie électronique

Réflexe en trois temps. Orienter le cliché, coupe longitudinale ou transversale. Repérer l'unité répétée et la mesurer avec l'échelle. Identifier les bandes à partir de la seule présence ou absence de filaments épais.

Mini-exemple. En coupe transversale dans la bande A hors zone H, chaque filament épais est entouré de six filaments fins en hexagone. Dans la zone H, seuls les filaments épais apparaissent. Dans la bande I, seuls les filaments fins.

Schéma bilan de la myogenèse

Une frise horizontale. Au-dessus, les stades cellulaires : cellule du somite, précurseur migrant, myoblaste, myotube, fibre innervée. En dessous, les facteurs exprimés : Pax3, puis Myf5 et MyoD, puis myogénine et MRF4, avec des flèches d'activation et une boucle d'autorégulation sur MyoD. Au-dessus encore, les signaux externes qui agissent à chaque transition. Une barre marque la sortie du cycle entre myoblaste et myotube.

Plan de synthèse sur ce chapitre

Le sujet porte presque toujours sur la relation structure-fonction ou sur la genèse d'une cellule différenciée. Gabarit : ce qu'est la cellule différenciée, comment elle fonctionne, comment elle se construit. L'expression sélective d'un génome complet sert de fil conducteur.

Sujets classiques traités

Choisis ton niveau. Difficulté indicative ; les exercices qui se suivent restent dans l'ordre.

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