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1

Approche de la multiplication cellulaire.

Tu dois devenir capable de :

Savoir

  1. expliquer les caractéristiques des cellules issues de la multiplication cellulaire ;
  2. expliquer les implications de la différenciation cellulaire sur le contenu du noyau de la cellule ;
  3. expliquer la nature d’un clone.

Savoir faire

  1. tracer, dans l’ordre de complexité, une échelle des différents composants des êtres vivants.

molécule

cellule

unicellulaire

pluricellulaire

noyau

ADN


Organisation des êtres vivants.

Documents.

A. Les deux grandes sortes d’êtres vivants.

1. Les êtres vivants supérieurs.

Les êtres vivants supérieurs sont relativement complexes dans leur structure. Il est souvent intéressant de décomposer les différentes parties dont ils sont constitués, afin de faciliter le travail d’étude. Un être humain, par exemple, est constitué d’un ensemble de différents « systèmes »: le système digestif, le système respiratoire, le système circulatoire, ... Chacun de ces systèmes est composé d’un certain nombre d’organes. Le système digestif, par exemple, contient, entre autres, l’estomac, l’intestin, le pancréas, le foie, ...

Si l’on se penche plus en profondeur vers chacun de ces organes, on va pouvoir observer qu’ils sont tous formés d’unités spécialisées dans certaines tâches; on les appelle des « tissus ». Dans le pancréas, certaines parties sont spécialisées dans la fabrication de sucs digestifs, d’autres sont des vaisseaux qui conduisent ces sucs digestifs, ...

Finalement, quand on observe des tissus au microscope, on observera des unités encore plus petites qui ont été appelées « cellules »; le corps humain en compte environ 50 mille milliards. Les êtres vivants supérieurs sont tous des pluricellulaires.

 

2. Les êtres vivants inférieurs.

Les êtres vivants inférieurs regroupent des animaux et des végétaux qui sont généralement de très petite taille. Parmi eux, on distinguera souvent:

  • des êtres vivants formés d’une seule cellule, un peu semblables aux cellules que l’on trouve dans les tissus des êtres vivants supérieurs; on les appelle encore « unicellulaires »;

  • des êtres vivants encore plus petits et qui ne sont même pas constitués d’une cellule: ce sont les virus.

B. La matière constitutive des êtres vivants.

Tous les êtres vivants, supérieurs ou inférieurs, sont formés de matière. Comme toute matière, celle dont ils sont constitués est formée de molécules plus ou moins complexes. Le corps humain, par exemple, contient 65% d’eau, 5% de sels minéraux,...

Le cours de chimie nous a appris que les molécules sont elles-mêmes formées d’atomes. Les principales sortes d’atomes sont indiquées dans le diagramme ci-contre.

Questions.

A partir de l’ensemble du document présenté ci-dessus, établis une échelle de complexité des éléments qui nous constituent. Les éléments les plus simples se trouvent au pied de l’échelle, les plus complexes occupent le sommet.

En partant des chiffres indiqués dans le diagramme ci-dessus, calcule la quantité de chacune des sortes d’atomes dont tu es constitué(e).

La prolifération des bactéries, un cas très simple de multiplication.

Les bactéries sont des êtres vivants unicellulaires très simples mais qui sont capables de se reproduire à très grande vitesse. Lorsque la quantité de nourriture, l’espace et les conditions de température et d’humidité le permettent, certaines bactéries se multiplient toutes les vingt minutes.

  1. En tenant compte de ce rythme de multiplication, combien de bactéries sont formées après 24 heures ?
  2. Si une bactérie pèse 10-10 grammes, après combien de temps peut-on espérer avoir 1 kg de bactéries?

  3. Si une bactérie occupe un volume de 8.10-9 cm3, quel est le volume occupé par l’ensemble des bactéries formées après 24 h ?

Remarque: les conditions optimales ne sont jamais rencontrées; la nourriture devient vite insuffisante, les déchets rejetés trop toxiques, ... si bien que la prolifération n’est jamais si importante.

Développement de l’embryon humain.

Tous les êtres vivants pluricellulaires débutent par un stade au cours duquel ils sont formés d’une seule cellule. Au cours des premières phases de leur développement, cette cellule unique se multiplie. Chaque cellule issue de la multiplication est encore capable de se diviser en deux.

La multiplication va se poursuivre jusqu’à donner un être vivant pluricellulaire complet.

Après 8 jours, un embryon humain se présente comme illustré ci-contre.
  1. Quelles différences frappantes existent entre l’ensemble de 8 ou 16 cellules et l’embryon de 8 jours?

  2. Combien de types cellulaires parfaitement déterminés observe-t-on après 8 jours?

L’endoblaste va se transformer pour donner, entre autres, toutes les glandes digestives. L’ectoblaste donnera l’épiderme et les tissus nerveux.

La transformation des cellules embryonnaires en différentes sortes de cellules spécialisées est appelée la différenciation cellulaire.

Lorsqu’une cellule a subi la différenciation, elle ne peut généralement pas revenir à son état de cellule indifférenciée.

Les cellules embryonnaires contiennent toutes les informations nécessaires pour se multiplier et former les cellules de différents types qui constituent les êtres vivants complètement formés.

La brebis Dolly.

Document 1 : description de la manipulation qui a mené à la naissance de Dolly.

Extrait d’un communiqué de presse des chercheurs du Roslin Institute où est née Dolly.

Can you describe simply what has been done in these experiments?

This is the first time that offspring have been produced by nuclear transfer from an established cell line.

What is involved in nuclear transfer?

You have two different cells in nuclear transfer: an unfertilised egg and a donor cell. The donor cells were obtained by culture of cells from sheep embryos over a period of several months. In this way it was possible to obtain many thousand genetically identical cells. The donor embryo was from an all white breed : the Welsh Mountain breed. The recipients eggs were recovered from Scottish Blackface ewes. By micromanipulation the chromosomes were removed from the eggs before the nucleus of the donor cell was introduced by cell fusion. The electric current which is used to fuse the cells also triggers the egg to begin development. These new embryos were then transferred to recipient sheep to discover if they were able to develop to lambs. When the lambs were born they were all genetically identical females. They were all white, Welsh Mountain lambs, as it is the transferred nucleus which determines the characteristics of the offspring.

 

Document 2 : extrait de « Le Meilleur des Mondes »

Un bâtiment gris et trapu de trente-quatre étages seulement. Au-dessus de l’entrée principale, les mots : CENTRE D’INCUBATION ET DE CONDITIONNEMENT DE LONDRES-CENTRAL, et, dans un écusson, la devise de l’État mondial : COMMUNAUTE, IDENTITE, STABILITE.

L’énorme pièce du rez-de-chaussée était exposée au nord. En dépit de l’été qui régnait au-delà des vitres, en dépit de toute la chaleur tropicale de la pièce elle-même, ce n’étaient que de maigres rayons d’une lumière crue et froide qui se déversaient par les fenêtres. Les blouses des travailleurs étaient blanches, leurs mains, gantées de caoutchouc pâle, de teinte cadavérique. La lumière était gelée, morte, fantomatique. Ce n’est qu’aux cylindres jaunes des microscopes qu’elle empruntait un peu de substance riche et vivante, étendue le long des tubes comme du beurre.

- Et ceci, dit le Directeur, ouvrant la porte, c’est la Salle de Fécondation.

Au moment ou le Directeur de l’Incubation et du Conditionnement entra dans la pièce, trois cents Fécondateurs, penchés sur leurs instruments, étaient plongés dans ce silence où l’on ose à peine respirer, dans ce chantonnement ou ce sifflotement inconscients, par quoi se traduit la concentration la plus profonde. Une bande d’étudiants nouvellement arrivés, très jeunes, roses et imberbes, se pressaient, pénétrés d’une certaine appréhension, voire de quelque humilité, sur les talons du Directeur. Chacun d’eux portait un cahier de notes, dans lequel, chaque fois que le grand homme parlait il griffonnait désespérément. Ils puisaient ici leur savoir à la source même. C’était un privilège rare. Le D.l.C. de Londres-Central s’attachait toujours à faire faire à ses nouveaux étudiants, sous sa conduite personnelle, le tour des divers services.

« Simplement Pour vous donner une idée d’ensemble », leur expliquait-il. Car il fallait, bien entendu, qu’ils eussent un semblant d’idée d’ensemble, si l’on voulait qu’ils fissent leur travail intelligemment, -et cependant qu’ils en eussent le moins possible, si l’on voulait qu’ils fussent plus tard des membres convenables et heureux de la société. Car les détails, comme chacun le sait, conduisent à la vertu et au bonheur ; les généralités sont, au point de vue intellectuel, des maux inévitables. Ce ne sont pas les philosophes, mais bien ceux qui s’adonnent au bois découpé et aux collections de timbres, qui constituent l’armature de la société.

Demain, ajoutait-il, leur adressant un sourire empreint d’une bonhomie légèrement menaçante, vous vous mettrez au travail sérieux. - Vous n’aurez pas de temps à consacrer aux généralités... D’ici là...

D’ici là, c’était un privilège. De la source même, droit au cahier de notes. Les jeunes gens griffonnaient fébrilement.

Grand, plutôt maigre, mais bien droit, le Directeur s’avança dans la pièce. II avait le menton allongé et les dents fortes, un peu proéminentes, que parvenaient tout juste à recouvrir, lorsqu’il ne parlait pas, ses lèvres pleines à la courbe fleurie. Vieux jeune ? Trente ans ? Cinquante ? Cinquante-cinq ? C’était difficile à dire. Et, au surplus, la question ne se posait pas ; dans cette année de stabilité, cette année 632 de N.F., il ne venait à l’idée de personne de la poser.

Je vais commencer par le commencement, dit le D.I.C., et les étudiants les plus zélés notèrent son intention dans leur cahier : Commencer au commencement. - Ceci - il agita la main- ce sont les couveuses. - Et, ouvrant une porte de protection thermique, il leur montra des porte-tubes empilés les uns sur les autres et pleins de tubes à essais numérotés. - L’approvisionnement d’ovules pour la semaine. Maintenus, expliqua-t-il, à la température du sang ; tandis que les gamètes mâles -et il ouvrit alors une autre porte- doivent être gardés à trente-cinq degrés, au lieu de trente-sept. La pleine température du sang stérilise. Des béliers, enveloppés de thermogène, ne procréent pas d’agneaux.

Toujours appuyé contre les couveuses, il leur servit, tandis que les crayons couraient illisiblement d’un bord à l’autre des pages, une brève description du procédé moderne de la fécondation ; il parla d’abord, bien entendu, de son introduction chirurgicale, « cette opération subie volontairement pour le bien de la société, sans compter quelle comporte une prime se montant à six mois d’appointements » ; il continua par un exposé sommaire de la technique de la conservation de l’ovaire excisé à l’état vivant et en plein développement ; passa à des considérations sur la température, la salinité, la viscosité optima, fit allusion à la liqueur dans laquelle on conserve les ovules détachés et venus à maturité ; et, menant ses élèves aux tables de travail, leur montra effectivement comment on retirait cette liqueur des tubes à essais ; comment on la faisait tomber goutte à goutte sur les lames de verre pour préparations microscopiques spécialement tiédies ; comment les ovules qu’elle contenait étaient examinés au point de vue des caractères anormaux, comptés, et transférés dans un récipient poreux, comment (et il les emmena alors voir cette opération) ce récipient était immergé dans un bouillon tiède contenant des spermatozoïdes qui y nageaient librement, « à la concentration minima de cent mille par centimètre cube », insista-t-il ; et comment, au bout de dix minutes, le vase était retiré du liquide et son contenu examiné de nouveau ; comment, s’il y restait des ovules non fécondés, on l’immergeait une deuxième fois, et, si c’était nécessaire, une troisième ; comment les ovules fécondés retournaient aux couveuses ; où les Alphas et les Bêtas demeuraient jusqu’à leur mise en flacon définitive, tandis que les Gammas, les Deltas et les Epsilons en étaient extraits, au bout de trente-six heures seulement, pour être soumis au Procédé Bokanovsky. « Au Procédé Bokanovsky », répéta le Directeur, et les étudiants soulignèrent ces mots dans leurs calepins. Un œuf, un embryon, un adulte, -c’est la normale. Mais un œuf bokanovskifié a la propriété de bourgeonner, de proliférer, de se diviser : de huit à quatre-vingt-seize bourgeons, et chaque bourgeon deviendra un embryon parfaitement formé, et chaque embryon, un adulte de taille complète. On fait. ainsi pousser quatre-vingt-seize êtres humains là où il n’en poussait autrefois qu’un seul. Le progrès. La bokanovskification, dit le D.I.C. pour conclure, consiste essentiellement en une série d’arrêts du développement. Nous enrayons la croissance normale, et, assez paradoxalement, l’œuf réagit en bourgeonnant. Réagit en bourgeonnant. Les crayons s’affairèrent. Il tendit le bras. Sur un transporteur à mouvement très lent, un porte-tubes plein de tubes à essais pénétrait dans une grande caisse métallique, un autre en sortait. Il y avait un léger ronflement de machines. Les tubes mettaient huit minutes à traverser la caisse de bout en bout, leur expliquait-il, soit huit minutes d’exposition aux rayons durs, ce qui est à peu prés le maximum que puisse supporter un œuf. Un petit nombre mouraient ; des autres, les moins influencés se divisaient en deux, la plupart proliféraient en quatre bourgeons ; quelques-uns, en huit ; tous étaient renvoyés aux couveuses, où les bourgeons commençaient à se développer puis, au bout de deux jours, on les soumettait soudain au froid, au froid et à l’arrêt de croissance. En deux, en quatre, en huit, les bourgeons bourgeonnaient à leur tour ; puis, ayant bourgeonné, ils étaient soumis à une dose d’alcool presque mortelle ; en conséquence, ils proliféraient de nouveau, et, ayant bourgeonné, on les laissait alors se développer en paix, bourgeons des bourgeons des bourgeons, -tout nouvel arrêt de croissance étant généralement fatal. A ce moment, l’œuf primitif avait de fortes chances de se transformer en un nombre quelconque d’embryons compris entre huit et quatre-vingt-seize, « qui est, vous en conviendrez, un perfectionnement prodigieux par rapport à la nature. Des jumeaux identiques, mais non pas en maigres groupes de deux ou trois, comme aux jours anciens de reproduction vivipare, alors qu’un œuf se divisait parfois accidentellement- mais bien par douzaines, par vingtaines, d’un coup. »

Par vingtaines, répéta le Directeur, et il écarta les bras, comme s’il faisait des libéralités à une foule. Par vingtaines.

Mais l’un des étudiants fut assez sot pour demander en quoi résidait l’avantage. Mon bon ami ! le Directeur se tourna vivement vers lui vous ne voyez donc pas ? Vous ne voyez pas ? Il leva la main, il prit une expression solennelle. Le Procédé Bokanovsky est l’un des instruments majeurs de la stabilité sociale !

Instruments majeurs de la stabilité sociale.

Des hommes et des femmes conformes au type normal ; en groupes uniformes. Tout le personnel d’une petite usine constitué par les produits d’un seul œuf bokanovskifié.

- Quatre-vingt-seize jumeaux identiques faisant marcher quatre-vingt-seize machines identiques ! Sa voix était presque vibrante d’enthousiasme. - On sait vraiment où l’on va. Pour la première fois dans l’histoire. - II cita la devise planétaire : « Communauté, Identité, Stabilité ». Des mots grandioses. Si nous pouvions bokanovskifier indéfiniment, tout le problème serait résolu.

Résolu par des Gammas du type normal, des Deltas invariables, des Epsilons uniformes. Des millions de jumeaux identiques. Le principe de la production en série appliqué enfin à la biologie.

Mais, hélas !, le Directeur hocha la tête, nous ne pouvons pas bokanovskifier indéfiniment.

Huxley A.
Le Meilleur des Mondes
Plon, Paris, 1977.

Document 3 : couverture du magazine « Der Spiegel ».

Lors de l’annonce de la naissance de Dolly, le magazine allemand « Der Spiegel » a publié la couverture illustrée ci-contre.

Intérêt de Dolly.

Le monde médical est très intéressé par la manipulation qui a permis d’obtenir Dolly. Les chercheurs du Roslin Institute ont publié le texte suivant.

human therapeutic proteins

Transgenic sheep, goats and cattle are already being used as 'bioreactors' to produce human proteins in milk. PPL Therapeutics, one of the leaders in this field and collaborators with us in production of Dolly, recently announced that alpha-1-antitrypsin produced from a transgenic flock is now being used to treat cystic fibrosis patients in phase 2 clinical trials. Nuclear transfer will provide a more reliable way of producing transgenic animals, reducing the number of animals needed to establish each transgenic line.

xenotransplantation

Over the past 20 years transplantation of hearts and kidneys has become almost routine. Nevertheless there is a shortage of suitable organs for transplant (about 5000 each year in the UK) and many patients die as a result. Transgenic pigs are being developed as sources of organs to meet the shortfall. At present these pigs contain added human proteins that coat the pig tissues and are intended to prevent immediate rejection of the transplanted heart or kidney.

In the future, nuclear transfer should improve the chances of success because it will allow pigs to be produced in which the pig proteins responsible for rejection are removed and replaced by their human counterparts.

nutriceuticals

Cow's milk is ideal for calves but not for premature infants. Gene targeting using nuclear transfer will allow milk to be produced in which one or more of the normal cow's proteins have been replaced by human proteins, thereby improving its nutritional quality for these special 'consumers'.

animal models of disease

Mice in which specific mutations have been deliberately introduced have often provided very useful models for studying human genetic diseases such as cystic fibrosis and obesity. In some cases, differences between mice and humans means that the effects of the introduced mutation are not the same as in the human genetic disease. Nuclear transfer will extend the range of species in which gene targeting will be possible and thereby provide better models to test treatments for human diseases.

cell therapy

Intact cells are already used to treat patients suffering from a number of diseases, including leukemia and Parkinson's disease. In most cases these cells have to be obtained from close relatives to avoid problems of immune rejection.

The fact that Dolly was cloned from a cell taken from an adult ewe shows that even specialised (or differentiated) cells can be 'reprogrammed' into all the cell types that make up an intact animal. When we know more about this process, there is prospect of using the patient's own cells in such therapies. Cells would removed from the patient, converted into the desired cell type in the laboratory and then reintroduced into the patient for treatment.

Questions.

  1. Réalise une synthèse en français du procédé utilisé pour produire la brebis « Dolly ». Traduis les indications données sur le schéma correspondant.

  2. L’observation présentée au point « Développement de l’embryon humain. » laisse à penser que, lors de la formation de cellules spécialisées, les informations présentes dans le noyau changent en fonction du type cellulaire. Pourquoi ?

  3. La naissance de Dolly infirme cette idée. Pourquoi ?

  4. Après lecture du texte sous le titre « Intérêt de Dolly. », indique quel est l’intérêt en médecine d’une expérience telle que celle-ci ?

  5. Quel est le sens de la couverture du magazine « Der Spiegel » ?

  6. Quelle idée est développée dans le texte de A. Huxley ? Y a-t-il un lien avec Dolly ? En quoi les situations sont-elles différentes ? En quoi les situations sont-elles comparables ?

Synthèse.

Les êtres vivants (y compris l’être humain) est formé d’atomes comme toute autre substance. Ceux-ci sont agencés en molécules, souvent fort complexes, comme les protéines, les glucides, les lipides et les acides nucléiques.

Les molécules sont les briques de base pour la construction des cellules.

Certains êtres vivant sont formés d’une seule cellule qui assure tous les rôles. L’être humain est formé d’un grand nombre de cellules.

La cellule est la plus petite unité vivante qui constitue l’être humain. Il existe des systèmes de coordination dans le fonctionnement de cet ensemble de cellules.

Le noyau des cellules contient des informations qui permettent à la cellule d’assurer la fabrication des substances qu’elle doit être capable de fabriquer. Les plans de construction de ces substances se trouvent dans le noyau sous la forme de molécules d’ADN.

Lors de la multiplication cellulaire, une cellule devient deux cellules. Chacune des cellules-filles ainsi obtenue doit recevoir les plans de construction.

Les cellules peuvent se spécialiser dans l’un ou l’autre rôle, mais l’ensemble des informations contenu dans le noyau cellulaire reste identique d’un type de cellule à l’autre.

Puisque chaque cellule issue de la multiplication cellulaire reçoit l’entièreté des plans de construction, il doit exister un mécanisme extrêmement précis qui permet cet héritage parfait des molécules d’ADN.

Lors du clonage, tous les individus héritent du même noyau. Ils sont donc tous physiquement parfaitement identiques. Les jumeaux vrais sont un exemple de clone humain naturel.

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