Journal de chimie physique et biophysique
Libre accès

Abstrait

Un rôle pour la signalisation protonique dans l'induction des cellules somatiques en cellules souches embryonnaires pluripotentes

Etsuro Ito, Wen-Li Hsu and Tohru Yoshioka

Les mécanismes d'établissement des cellules souches embryonnaires (ES) et de fécondation des ovules ont été étudiés sans examiner les interactions de ces types de cellules, peut-être en raison du manque de considération des similitudes entre les cellules ES et les ovules fécondés, en particulier le manque de signalisation calcique. Nous unifions ici les différents concepts développés séparément pour la graisse dans les cellules ES et les ovules fécondés, bien que les deux types de cellules aient le même destin (c'est-à-dire devenir des cellules somatiques). Nous discutons du concept de changements de propriétés de l'eau dans le cytoplasme qui se produisent avec le cycle cellulaire, qui a été initialement introduit dans le domaine de la biophysique. Avec cet aspect, les similitudes et les différences entre les cellules ES et les ovules fécondés sont compréhensibles, et les changements de propriétés de l'eau aident à expliquer pourquoi les cellules ES peuvent avoir une pluripotence, comme le font les ovules fécondés, suite à un stimulus de novo tel qu'un traitement acide. Obokata et al. ont récemment découvert un raccourci pour générer des cellules souches pluripotentes qu'ils ont nommé « cellules d'acquisition de pluripotence déclenchée par un stimulus (STAP) » à partir de cellules somatiques lors d'une stimulation transitoire à faible pH [1]. Ce rapport a eu un impact significatif sur de nombreux biologistes du développement et cliniciens, car le traitement à faible pH semblait être un moyen étonnamment simple de transformer les cellules somatiques en cellules souches embryonnaires pluripotentes (ES) [2].

Cependant, cette méthode n'est pas si surprenante pour les biophysiciens, car plusieurs types de stress cellulaire ont été trouvés pour induire une activation de l'œuf associée à une augmentation transitoire de Ca2+, comme le changement du pH cytoplasmique provoqué par l'application de NH4Cl et/ou de CO2, ou même la piqûre mécanique avec une aiguille [3]. En 2002, Burdon et al. ont rapporté que les cellules épiblastiques, qui ont une pluripotence, ont été obtenues à partir d'une culture prolongée de cellules ES [4]. Les cellules ES ont un cycle cellulaire inhabituel dans lequel la phase G1 qui fonctionne dans d'autres types de cellules est réduite [5]. De telles caractéristiques des cellules ES sont associées aux caractéristiques dérégulées de la prolifération des cellules tumorales. Contrairement à ces types de cellules, un œuf fécondé démarre également son propre cycle cellulaire avec des oscillations de Ca2+ [6]. Cette oscillation de Ca2+ peut être expliquée par un modèle à un ou deux pools de calcium avec la rétroaction positive de l'augmentation de Ca2+ et d'inositol 1,4,5-trisphosphate (IP3) pendant la phase ascendante de chaque augmentation de Ca2+. Il est donc raisonnable de supposer que le cycle cellulaire est le chronométreur de l'oscillation du Ca2+ dans les cellules ES cultivées in vitro et des rythmes calciques circadiens dans les cellules somatiques du corps, qui se sont également avérés être associés à une fréquence lente d'oscillation du Ca2+, avec 1 cycle/jour [7].

Les changements de propriétés de l'état de l'eau dans la cellule sont un autre problème critique. Mantré a décrit que l'état de l'eau dans les cellules somatiques du corps est de l'eau liée à structure ordonnée (comme la glace), tandis que les cellules ES ainsi que les cellules cancéreuses ont de l'eau libre (normale) dans les phases G1 et G2 [8]. Seuls les protons, pas les autres ions, sont capables de se déplacer à la surface de l'eau liée, alors que dans l'eau libre, tous les types d'ions (y compris les protons) peuvent se déplacer par diffusion. Dans cet article de synthèse, nous décrivons les différences entre les cellules somatiques et les cellules ES en ce qui concerne la signalisation des protons, qui régule l'oscillation du Ca2+, et le changement des propriétés de l'eau associé au cycle cellulaire. La signalisation des protons joue un rôle essentiel dans la reprogrammation nucléaire vers le stade pluripotent.