HISTOIRE DE LA BIOLOGIE CELLULAIRE

LE CAS DU SYSTÈME NERVEUX

L'étude des tissus posa des questions nouvelles et originales. « De quelle façon les cellules sont reliées entre elles ? » était l'une de ces questions, soulevée en particulier dans le domaine de la neurologie. Si le système nerveux constitue un ensemble organisé qui permet le transfert des signaux nerveux à tout le corps, il doit par conséquent exister des moyens de liaison entre les cellules qui composent les nerfs. Les recherches histologiques, grâce à des techniques particulières de coloration avaient permis à Camillo Golgi (1843-1926) d'identifier, en 1873, une espèce de réseau nerveux diffusé dans la substance grise du cerveau, mais avaient également amené le savant lombard à croire que les cellules nerveuses perdaient leur individualité pour former un réticulum nerveux. En même temps, mais en utilisant des techniques d'étude développées sur la base de celles de Golgi, Santiago Ramón y Cajal (1852-1934) formula la « théorie du neurone », selon laquelle chaque cellule nerveuse (le neurone), avec ses prolongements (dendrites et axone), constitue une unité morphologique séparée, en contact avec d'autres cellules à travers des « jonctions » dans lesquelles les cellules gardent leur identité, sans se fondre en aucune façon (transmission de l'impulsion). Golgi s'opposa à cette théorie, soutenant encore l'hypothèse du réseau nerveux diffusé. Le prix Nobel sera attribué en 1906 à ces deux chercheurs par l'Académie des sciences de Stockholm.

Toujours en ce qui concerne les tissus, l'un des progrès les plus fondamentaux de l'histoire de la biologie a été l'introduction de la culture des tissus in vitro, technique inventée en 1907 par l'embryologiste américain Ross G. Harrison (1870-1969), qui préleva de petits morceaux de tissu de larves d'Amphibiens et les fit reproduire en laboratoire. Ensuite, le Français Alexis Carrel (1873-1944) élabora une technique particulière qui permettait de cultiver les cellules sans limites de temps. La méthode de la culture in vitro, aujourd'hui encore très utilisée dans les laboratoires, a permis d'analyser en détail le fonctionnement de la cellule, les processus chimiques qui s’y produisent, et d'en étudier le rôle dans le développement embryonnaire. L'étude des cultures des tissus et des cellules a réservé bien des surprises. À partir des années 50, avec les études de Rita Levi Montalcini (1909) et de Stanley Cohen, on a vu que, pour faire croître les cellules in vitro, il faut ajouter aux nutriments normaux des substances protéiques spéciales, appelées facteurs de croissance. Le premier facteur de croissance isolé par Stanley Cohen et par Rita Levi Montalcini fut celui de la cellule nerveuse (ou NGF, des initiales du terme anglais Nerve Growth Factor). Ces substances remplissent des fonctions différentes dans l'organisme : non seulement elles nourrissent les cellules mais de plus, au moins dans le cas du NGF, elles jouent un rôle fondamental dans le développement embryonnaire. Le NGF, en effet, « guide » les fibres nerveuses qui se développent des cellules vers leurs cibles.

LA CYTOCHIMIE

Le but de l'étude biochimique de la cellule, ou cytochimie, consiste à identifier la composition chimique des différents organites cellulaires et d'en étudier l'activité et la fonction. L'exigence d'une connexion entre la biochimie et la structure cellulaire fut soulignée pour la première fois, en 1936, par Joseph Needham (1909). « Biochimie et morphologie, écrivit le chercheur, doivent se fondre l'une dans l'autre, au lieu d'exister, comme elles tendent à le faire, des deux côtés d'une barrière. » Cependant, à ses débuts, la cytochimie était regardée avec méfiance aussi bien par les milieux biochimiques officiels, qui critiquaient le manque de précision de ses méthodes expérimentales, que par les cytologistes, qui la considéraient comme une opération artificielle. C'est ainsi que la cytochimie trouva dans l'embryologie un terrain fertile. En effet, l'œuf, qui se présente comme une grande cellule, devint l'instrument par excellence permettant l'étude de la division cellulaire, de la structure et du comportement des chromosomes. Il est intéressant de rappeler qu’à travers l'utilisation conjuguée d'un spectroscope et d'un microscope à haute résolution, de colorants et d'enzymes spécifiques, il a été possible d'identifier dans la cellule les acides nucléiques, et que, par conséquent, les études de cytochimie ont été à l'origine de l'une des découvertes biologiques les plus importantes de notre siècle.

L'ULTRASTRUCTURE CELLULAIRE

Au cours des années 40, le développement du microscope électronique porta l’intérêt vers les substances chimiques cellulaires en tant que sièges principaux du métabolisme. On découvrit au moyen de ces appareils expérimentaux modernes le rôle de certaines structures moléculaires spécifiques : les mitochondries, les chloroplastes et les « microsomes », appelés aujourd'hui ribosomes. Ensuite, vers les années 50, furent créés de nouveaux instruments d'analyse, et la cellule commença à révéler de façon de plus en plus claire son ultrastructure.

En 1945, par exemple, les premières photographies au microscope électronique des fibroblastes (cellules du tissu conjonctif) en culture, indiquèrent qu'à l'intérieur de ceux-ci existait un « réticulum semblable à une dentelle », ensuite appelé par Keith R. Porter (1912), réticulum endoplasmique. Ce réticulum, au moment de la rupture des membranes endoplasmiques, se transformait en « microsomes ». George E. Palade (1912), en 1955, décrivit soigneusement ces structures, montrant que dans celles-ci se trouve l'ARN, concentré en petits grains associés aux membranes. Ce fut Richard B. Roberts qui, en 1958, appela ces grains ribosomes. On doit à Palade les premières études sur la structure ultramicroscopique des mitochondries, qui par la suite révélèrent des caractéristiques particulières. En effet, la possibilité de maintenir en vie ces organites subcellulaires in vitro, c'est-à-dire en l'absence de cellules entières, a porté à leur attribuer une certaine autonomie physiologique. En outre, la découverte d'un ADN spécifique, différent de celui qui est contenu dans le noyau aussi bien des chloroplastes que des mitochondries, des organismes complexes - les Eucaryotes -, a fait supposer que la présence de ces organites dans la cellule peut être le résultat d'une symbiose, et qu'ils ne sont rien d'autre que les descendants de micro-organismes ayant pénétré dans la cellule comme agents « infectants ». À partir de cette idée, on a commencé à voir la cellule comme un ensemble de sous-unités, relativement indépendantes, c'est-à-dire comme un ensemble hiérarchiquement organisé, avec une autonomie relative entre les différents niveaux. Et certains chercheurs ont voulu voir dans cette structure hiérarchique le résultat de processus évolutifs complexes.

LES DERNIÈRES FRONTIÈRES

À une époque plus récente, la biologie cellulaire a connu un développement considérable, principalement grâce à des techniques sophistiquées de « génie biologique », comme par exemple celles qui ont permis de produire des anticorps monoclonaux. Ceux-ci résultent des progrès de la biologie cellulaire et ils ont permis de réaliser d'autres découvertes dans le même domaine.

L’expérience suivante a fait avancer la recherche sur ces anticorps monoclonaux : On a tout d’abord prélevé sur des tissus animaux des lymphocytes produisant un certain type d’anticorps. On les a introduit in vitro dans les cellules d'une tumeur particulière appelée plasmocytome, formée de cellules productrices d'anticorps qui se reproduisent à des rythmes très élevés. On a alors constaté la naissance d’une ligne de cellules, appelées hybridomes, en mesure de produire cet anticorps unique en quantité presque illimitée (ces anticorps sont appelés monoclonaux parce qu'ils sont produits par le même clone cellulaire, c'est-à-dire par la même ligne de cellules). Les anticorps monoclonaux sont devenus un instrument fondamental pour les études de cytologie. L'anticorps est capable de reconnaître une substance particulière - une protéine par exemple - même si elle se trouve à l'intérieur de la cellule. Ces anticorps en éprouvette, traités de façon adéquate, se sont révélés des marqueurs infaillibles. Ils sont en mesure de marquer, à l’aide de substances fluorescentes par exemple, des protéines intracellulaires, qui peuvent donc être aisément identifiées et isolées dans des buts expérimentaux.

D'autres aspects de la recherche récente concernent la structure et le fonctionnement cellulaire. Par exemple, on a découvert que l'image traditionnelle de la membrane cellulaire est tout à fait inadéquate. Jusqu'à il y a quelques années, on l'imaginait comme un revêtement souple mais constant, semblable à une combinaison. La fusion expérimentale d’une cellule de souris et d’une cellule humaine a montré que les protéines des deux cellules, au début confinées dans deux moitiés distinctes de la cellule hybride, se déplaçaient le long de la membrane, en se mélangeant entre elles. D'autres recherches concernant la membrane ont démontré que celle-ci est un véritable enchevêtrement de molécules qui transportent des signaux chimiques de l'extérieur vers l'intérieur de la cellule. Plusieurs de ces molécules font office de récepteurs, c'est-à-dire de serrure chimique pour les hormones et les médicaments. D'autres molécules délimitent des canaux qui peuvent s'ouvrir ou se fermer et donc permettre l'entrée ou la sortie de sels tels que le sodium ou le potassium. Elles conditionnent dans la cellule le transport à travers la membrane et, en général, la propagation de l'impulsion nerveuse. Chacun de ces phénomènes - activation d'un récepteur ou d'un canal - est suivi de processus intracellulaires. On peut donc comparer le travail de la biologie cellulaire avec la réalisation, image par image, du « film » des différents processus de la physiologie cellulaire.