Le concept de cellule souche (CS) repose sur l’observation d’un renouvellement des différents compartiments cellulaires composant les organismes multicellulaires complexes pour remplacer les cellules qui meurent continuellement. La nécessité d’un flux continu de nouvelles cellules issues de la différenciation de cellules plus immatures, les cellules souches, est donc posée. Les cellules souches assurent la pérennité de leur stock par des divisions dites d’autorenouvellement. Certaines d’entre elles cependant s’engagent dans un processus de différenciation (« détermination » que désigne le terme commitment des Anglo-Saxons) tout en poursuivant leur prolifération, ce qui donne naissance à une grande diversité de cellules matures ; ce faisant, elles quittent le compartiment souche. C’est par ce jeu d’événements d’autorenouvellement et de détermination/commitment que l’intégrité tissulaire est préservée.

Figure 1 Le cycle de la vie d’une cellule. La vie d’une cellule est illustrée sous la forme d’un cercle inégal dans lequel les cellules passent d’un état de cellule souche à un état mature via le processus de différenciation, mais peuvent réacquérir l’état indifférencié initial (dédifférenciation). Les différentes couleurs illustrent la spécification progressive dans les différentes lignées qui toutes sont issues d’une cellule pluripotente. La partie étroite du cercle qui retourne vers cet état souche reflète la rareté de cet événement de dédifférenciation/reprogrammation dans les conditions physiologiques.

Figure 1 Le cycle de la vie d’une cellule. La vie d’une cellule est illustrée sous la forme d’un cercle inégal dans lequel les cellules passent d’un état de cellule souche à un état mature via le processus de différenciation, mais peuvent réacquérir l’état indifférencié initial (dédifférenciation). Les différentes couleurs illustrent la spécification progressive dans les différentes lignées qui toutes sont issues d’une cellule pluripotente. La partie étroite du cercle qui retourne vers cet état souche reflète la rareté de cet événement de dédifférenciation/reprogrammation dans les conditions physiologiques.

Des dizaines d’années de recherche se sont écoulées depuis la démonstration expérimentale qu’existaient dans l’organisme des cellules répondant à ces critères de cellule souche - les cellules souches hématopoïétiques (CSH) -, et beaucoup de cellules ont depuis été qualifiées de souches. Pourtant, ces populations de cellules souches sont très hétéroclites et regroupent des cellules qui n’ont pas grand chose en commun. C’est en partie le résultat du flou qui entoure la définition d’une cellule souche. Chaque catégorie de cellules différenciées est parfaitement caractérisée sur le plan moléculaire : ainsi, tous les globules rouges produisent de l’hémoglobine et tous les lymphocytes B, et eux seuls, expriment un récepteur spécifique, le B cell receptor.

Mais aucune molécule ne peut s’enorgueillir d’être exprimée par toutes les cellules souches. Au contraire, de multiples combinaisons de molécules identifient des populations particulières de CS : ainsi, les CS embryonnaires (CSE) expriment le facteur de transcription Oct-4 qui est absent des CSH, ces dernières exprimant d’autres marqueurs qui leur sont spécifiques et ne sont pas partagés par les CSE. Cette absence de définition moléculaire commune à toutes les CS explique qu’on se contente d’une définition descriptive : une cellule qui est en amont d’une autre dans la hiérarchie de différenciation est en quelque sorte « sa » cellule souche. Les CSE sont en amont des hépatocytes, et de toute autre cellule à laquelle elles donnent naissance ; les cellules souches hématopoïétiques précèdent dans la hiérarchie hématopoïétique toutes les cellules sanguines myéloïdes et lymphoïdes. Or toutes deux, CSE et CSH, sont désignées comme cellules souches. Un tel raisonnement peut mener loin : on pourrait dire par exemple qu’une CS hématopoïétique capable de reconstituer à long terme l’ensemble des lignées hématopoïétiques in vivo est « la » CS d’une CFU-S (colony-forming unit spleeen) qui se développe dans la rate des souris receveuses au jour 8 post-transplantation mais n’a pas un aussi large potentiel de reconstitution à long terme et se situe immédiatement en aval de la précédente dans la hiérarchie. Celle-ci, à son tour, est « la » CS des GM-CFC, granulocyte macrophage colony-forming cell, et ainsi de suite. Chaque cellule est ainsi toujours « la » CS d’une autre plus en aval. On pourrait presque, par provocation, considérer les GM-CFC comme les CS des macrophages activés, cellules matures à la fin de la chaîne de différenciation, et, pourquoi pas, proposer que presque toutes les cellules de la hiérarchie hématopoïétique se revendiquent « cellules souches ». C’est évidemment absurde. Mais en pratique, beaucoup de cellules qualifiées de souches sont en fait des « progéniteurs » déjà engagés dans le processus de différenciation. Certes, ces derniers conservent certains attributs des cellules souches, mais en diffèrent par leur prolifération active et parce qu’ils expriment déjà des marqueurs caractéristiques de la voie de différenciation dans laquelle ils sont engagés, avant de sortir du cycle cellulaire et d’achever leur maturation terminale. La plupart des cellules qualifiées de « souches » dans les systèmes in vitro sont en fait des progéniteurs et non pas des cellules souches au sens strict du terme.

Pour ajouter à la confusion, on inclut maintenant dans cette catégorie une fraction de cellules tumorales baptisées « cellules souches cancéreuses » parce qu’elles ont la capacité de donner naissance à des cellules tumorales, ce dont sont incapables les autres cellules composant la tumeur. Sur ce seul critère, et par analogie avec le raisonnement exposé ci-dessus, la majorité des cellules tumorales représenteraient un compartiment de cellules différenciées, descendance de cellules souches situées en amont. Mais perdre la capacité de former une tumeur n’est pas en soi un critère de « différenciation », et, qui plus est, dans certaines tumeurs la majorité des cellules, parfois chacune d’entre elles, peut former une tumeur après greffe in vivo. Outre ce critère « hiérarchique », les cellules tumorales prolifèrent de façon indéfinie, ce qui est considéré comme un signe d’autorenouvellement. On peut contester cette affirmation, car l’autorenouvellement est un processus qui dépend de l’environnement, de la « niche » dans laquelle évolue la cellule. Par exemple, les CSH ne possèdent pas de capacité d’autorenouvellement intrinsèque, mais cette capacité leur est conférée par les cellules stromales qui composent leur niche dans la moelle osseuse. Au contraire, la prolifération tumorale est autonome. Induite par des modifications génétiques et épigénétiques caractéristiques des cellules cancéreuses, elle ne dépend pas des signaux de l’environnement. L’autorenouvellement de CS normales et la prolifération de cellules tumorales ne peuvent donc pas être tenus pour des processus similaires. Il ne viendrait pas à l’idée de considérer comme identiques l’apoptose, la nécrose, l’autophagie, et la lyse cellulaire, au prétexte que tous ces processus aboutissent à la mort de la cellule. Chacun fait intervenir un mécanisme spécifique : l’apoptose, qui accompagne par exemple la sélection négative des lymphocytes T, fait intervenir une voie de signalisation mitochondriale. Au contraire, la lyse cellulaire qu’induit la fixation d’un anticorps fixant le complément résulte d’une lésion de la membrane cellulaire. De même, prolifération cellulaire et autorenouvellement mettent en jeu des mécanismes distincts et qui ne sont pas interchangeables. J’ai discuté ces points dans des revues récentes et ne les détaillerai pas plus avant ici [ 1, 2]. En revanche, je voudrais discuter ici une nouvelle définition de la « souchitude » - c’est-à-dire de l’état de cellule souche -, qui peut résoudre les controverses et incertitudes qui ont surgi dans le domaine de la biologie des cellules souches et aboutir à une définition moléculaire de l’état « souche ».

Les cellules stromales mésenchymateuses, aussi nommées cellules souches mésenchymateuses (l’acronyme est le même, CSM), expriment les transcrits codant pour le T cell receptor et le B cell receptor. C’est un exemple parmi d’autres car les transcrits de très nombreuses familles de gènes sont détectés dans les MSC comme dans d’autres types de progéniteurs [ 3]. Une analyse transcriptomique à large échelle a effectivement confirmé que les cellules souches embryonnaires transcrivaient à bas bruit l’essentiel des gènes² [ 4]. Un peu comme si les CS et certains progéniteurs étaient dans un état de « attente/stand-by » et pouvaient à tout moment s’engager dans n’importe quelle voie de différenciation. Cette expression à bas bruit généralisée dans les CS explique que l’on ne trouve pas de gènes spécifique de cellules souches. Il faut donc se résoudre à rechercher d’autres caractéristiques de cellules souches qu’un profil transcriptionnel spécifique, au premier plan desquelles des modifications épigénétiques dont on connaît l’importance dans beaucoup de processus biologiques [ 5, 6].

La possibilité pour une cellule souche de s’écarter de son chemin traditionnel - celui d’une progression unidirectionnelle irréversible vers un statut de cellules différenciées - et de pouvoir rebrousser chemin, sauter des étapes en aval, voire même faire des pas de côté, suggère qu’elle est dans un état instable, ce qui remet en question notre vision d’une organisation hiérarchique rigide de la différenciation. L’environnement, au même titre que d’autres facteurs intrinsèques, nucléaires ou cytoplasmiques, assure le maintien de la cellule à une place donnée de la cascade de différenciation. Une modification de cet environnement, en cas de stress cellulaire important par exemple, peut faciliter ou déclencher cette « plasticité » qui conduit aux processus de dédifférenciation, transdifférenciation ou reprogrammation.

Toutefois, on peut s’étonner que des cellules différenciées puissent acquérir - sous l’effet de molécules très diverses - toute une séquence d’évènements parfaitement ordonnés convergeant vers l’acquisition par un précurseur, voire une cellule complètement mature, d’un état de cellule souche pluripotente complet. Peut-on envisager que toute cellule soit équipée d’un module « de retour à l’état souche » (RtSS pour return to the stem state), sous la forme d’une cassette moléculaire toute équipée pour assurer une reprogrammation vers un état de pluripotence [1] ? Dans des conditions physiologiques, RtSS serait réprimée et donc silencieuse lors de la différenciation, et il est probable que le seuil nécessaire d’évènements stochastiques permettant l’activation de la cassette RtSS serait acquis trop lentement pour qu’un retour spontané vers un état de pluripotence se produise ; les cellules seraient arrêtées à des étapes diverses, aboutissant à des phénotypes de mono- ou bi- ou tri-potentialité. En revanche, si des lésions surviennent, aiguës ou chroniques, la présence de cette cassette constituerait une protection contre leurs conséquences, en permettant l’organisation de stratégies de réparation des dommages causés via la transition de cellules matures vers des cellules souches capables de réparation.

L’expression de multiples gènes de différents lignages (promiscuous gene expresssion) serait inhérente à cette propriété de plasticité qui définit l’état de cellule souche : elle lui permet de prendre des décisions très diverses quant à son destin selon les signaux qu’elle reçoit, dont en particulier ceux de l’environnement. Au contraire de ce que nous discutions plus haut sur la qualification de toute cellule comme « la souche de celle qu’elle engendre », on pourrait dire que toute cellule est issue d’une cellule souche pluripotente, et, à ce titre, est déjà différenciée et devrait donc être plutôt qualifiée de progéniteur. Il en est ainsi des CSH et de la majorité des cellules souches adultes. À l’échelon moléculaire, une expression génique à bas bruit, la modulation de l’état épigénétique, les processus de dédifférenciation, transdifférenciation et reprogrammation contribuent tous à cette « plasticité » et à l’acquisition de l’état « souche ». Ce dernier n’est qu’un état transitoire dans la vie d’une cellule, que définit un potentiel parfois très vaste, mais aucune spécialisation. Cela repose une question toujours non résolue : comment peut on identifier les cellules souches in vivo ? La seule définition est rétrospective : lorsque nous évaluons le potentiel d’une population cellulaire, nous concluons à la présence de cellules souches une fois que nous les avons amplifiées et que nous avons caractérisé, au sein de leur descendance, des cellules matures issues des trois feuillets embryonnaires. Mais cette population initiale n’est jamais composée uniquement de cellules pluripotentes et certaines - souvent la majorité - expriment déjà quelques attributs de cellules différenciées. C’est le cas des lignées de cellules souches embryonnaires, pourtant toutes issues de la masse interne de blastocystes, mais qui ne sont pas toutes pluripotentes, et probablement de la majorité des cellules souches avec lesquelles travaillent les chercheurs, plus proche de progéniteurs que de cellules souches au sens strict du terme. Aucun marqueur moléculaire à l’heure actuelle ne permet de définir avec certitude un état pluripotent, espérons que l’analyse « épigénétique » sera en mesure de nous proposer cette définition moléculaire qui nous fait tant défaut aujourd’hui. ‡

L’auteur déclare n’avoir aucun conflit d’intérêts concernant les données publiées dans cet article.