Descriptif
La cellule est la plus petite structure douée de vie. Elle est aussi la brique élémentaire avec laquelle sont construits les organismes complexes. Le but de ce cours est de décrire l’organisation et le fonctionnement de la cellule, ainsi que la façon dont les cellules s’assemblent en organismes complexes. Ce cours permet la découverte de la biologie cellulaire et de la biologie du développement, disciplines centrales des sciences de la vie, à l’interface avec de nombreux autres aspects de la biologie, mais aussi avec la physique, la chimie, l’informatique et les sciences de l’ingénieur.
Les principales thématiques abordées seront :
- l’organisation interne de la cellule (membranes, compartimentation, trafic)
- l’intégration de la cellule dans son environnement
- la réalisation de fonctions complexes par une cellule, à travers deux exemples (la multiplication et la mort cellulaire)
- la construction d’un organisme multicellulaire complexe (apparition de types cellulaires différents, cellules souches, mise en place d’axes de symétrie et régionalisation, morphogenèse).
BIO_42051_EP constitue une base solide et conseillée pour les autres cours de biologie d’année 2 et 3. Il est complémentaire de BIO_41052_EP. C’est aussi l’occasion d’aborder beaucoup de sujets d’actualité: clonage, cellules souches, médecine régénérative, Crispr, thérapie génique, cancer, épigénétique…
Chaque amphi est suivi d’une petite classe permettant d’appliquer les concepts à travers des exercices basés sur des articles de recherche. L’évaluation est assurée par un contrôle final (exercices basés sur des articles de recherche, tous documents autorisés). Des QCM et devoirs à la maison sont proposés chaque semaine.
Note aux étudiants de la filière BCPST. Le cours BIO451 couvrant les bases de la biologie cellulaire et de la biologie du développement, il inévitablement redondant avec bon nombre de notions vues en BCPST. Il le fait cependant avec un point de vue un peu différent, et certains chapitres (apoptose par exemple) sont nouveaux.
Objectifs pédagogiques
A l’issue du cours, les étudiants seront capables de
- Décrire l’organisation générale d’une cellule eucaryote.
- Décrire la structure d’une membrane biologique et expliquer les propriétés qui en découlent.
- Lister les principaux organites et leurs fonctions.
- Expliquer comment sont adressées les protéines aux différents organites.
- Décrire la structure des principaux tissus rencontrés chez les animaux.
- Résumer les principes de la communication intercellulaire et décrire quelques exemples.
- Expliquer les grandes étapes du cycle cellulaire et le principe de sa régulation.
- Décrire les rôles et les mécanismes moléculaires de l’apoptose.
- Décrire les grandes étapes de la différenciation cellulaire.
- Résumer les principaux modes de morphogenèse et d’établissement des axes de symétrie.
Les petites classes sont l’occasion de voir comment ces connaissances ont été établies. Ceci permet d’une part de se familiariser avec les approches expérimentales classiques de biologie cellulaire et d’autre part d’apprendre à raisonner rigoureusement sur des données complexes.
Ainsi, à l’issue du cours, les élèves sont capables de :
- Analyser et interpréter les résultats d’expériences classiques en biologie cellulaire telles que : Western blot, hybridation in situ, immunohistochimie, immunoprécipitation, expression de gènes rapporteurs/fusions protéiques, pertes de fonction (KO, RNAi, Crispr-Cas9).
- Raisonner avec rigueur sur des données parfois incomplètes ou ambiguës.
- Cerner les limites d’une approche expérimentale et poser une conclusion adaptée.
- Rédiger de façon concise une argumentation simple et sa conclusion.
- Illustrer les implications éthiques et sociétales de techniques et avancées récentes en biologie moléculaire et cellulaire (édition du génome, utilisation des cellules souches, clonage…)
- Décrire le principe d’un test statistique et son application à des données expérimentales.
effectifs minimal / maximal:
1/180Diplôme(s) concerné(s)
Département OSE
Département de Biologie.Objectifs de développement durable
ODD 1 Pas de pauvreté, ODD 3 Bonne santé et bien-être.Pour les étudiants du diplôme Programmes d'échange internationaux
Aucun prérequis, le cours est ouvert à tous, y compris à ceux n'ayant pas fait de biologie depuis la seconde. Un certain nombre de notions et de termes abordés dans le cours de 1e période "Biologie moléculaire et information génétique" sont utilisées dans ce cours. La plupart de ces notions sont signalées dans le premier amphi, et listées ci-dessous. Pour beaucoup, les connaissances nécessaires se limitent à peu de choses, parfois uniquement connaître le terme. Un QCM est disponible pour tester rapidement votre maitrise de ces notions. Des ressources vous sont proposées pour votre mettre à niveau si besoin. ADN
- Structure de l’ADN en double hélice.
- Notion d’appariement des bases.
- Nature des bases (un ribose, une base azotée, le nom des 4 bases).
- Principe de polymérisation des bases, squelette carboné de la molécule d’ADN.
- Extrémités 3’ et 5’.
- Chromatine (le mot), nucléosome, histone, enroulement de l’ADN sur les histones.
- Différence chimique ADN vs ARN
- Principe transcription : T->U
- Initiation de la transcription : ARN polymérase, promoteur, séquence régulatrice (enhanceur/silencer), facteur de transcription.
- Terminaison de la transcription : existence de séquences signal dans l’ADN.
- Maturation ARN (coiffe et queue Poly A).
- Epissage : exon/intron. Principe d’élimination des introns.
- Traduction : structure générale d’un ribosome, fixation du ribosome sur l’ARNm (pro et eucaryote). Principe du code génétique. ARNt. Démarrage de la traduction chez les eucaryotes (codon ATG). Codon-stop et fin de la traduction. Existence de 3’ et 5’ non traduits sur les ARNm. Orientation de l’ARNm et sens de lecture.
- Structure de base d’un acide aminé (sans détail sur les radicaux).
- Lien peptidique, au moins notion que les acides aminés peuvent polymériser.
- Structure primaire, secondaire, tertiaire. Hélice alpha et feuillet beta, ponts disulfure.
- Extrêmité N-terminale, C-terminale.
- Notion de changement de conformation et modification de l’activité. Site actif.
- Catalyseur, enzyme.
- Mutation récessive / dominante. Homozyogte / hétérozygote.
- ATP : structure générale et en quoi il peut servir de « monnaie d’échange énergétique » dans la cellule.
Pour les étudiants du diplôme Titre d’Ingénieur diplômé de l’École polytechnique
Aucun prérequis, le cours est ouvert à tous, y compris à ceux n'ayant pas fait de biologie depuis la seconde. Un certain nombre de notions et de termes abordés dans le cours de 1e période "Biologie moléculaire et information génétique" sont utilisées dans ce cours. La plupart de ces notions sont signalées dans le premier amphi, et listées ci-dessous. Pour beaucoup, les connaissances nécessaires se limitent à peu de choses, parfois uniquement connaître le terme. Un QCM est disponible pour tester rapidement votre maitrise de ces notions. Des ressources vous sont proposées pour votre mettre à niveau si besoin. ADN
- Structure de l’ADN en double hélice.
- Notion d’appariement des bases.
- Nature des bases (un ribose, une base azotée, le nom des 4 bases).
- Principe de polymérisation des bases, squelette carboné de la molécule d’ADN.
- Extrémités 3’ et 5’.
- Chromatine (le mot), nucléosome, histone, enroulement de l’ADN sur les histones.
- Différence chimique ADN vs ARN
- Principe transcription : T->U
- Initiation de la transcription : ARN polymérase, promoteur, séquence régulatrice (enhanceur/silencer), facteur de transcription.
- Terminaison de la transcription : existence de séquences signal dans l’ADN.
- Maturation ARN (coiffe et queue Poly A).
- Epissage : exon/intron. Principe d’élimination des introns.
- Traduction : structure générale d’un ribosome, fixation du ribosome sur l’ARNm (pro et eucaryote). Principe du code génétique. ARNt. Démarrage de la traduction chez les eucaryotes (codon ATG). Codon-stop et fin de la traduction. Existence de 3’ et 5’ non traduits sur les ARNm. Orientation de l’ARNm et sens de lecture.
- Structure de base d’un acide aminé (sans détail sur les radicaux).
- Lien peptidique, au moins notion que les acides aminés peuvent polymériser.
- Structure primaire, secondaire, tertiaire. Hélice alpha et feuillet beta, ponts disulfure.
- Extrêmité N-terminale, C-terminale.
- Notion de changement de conformation et modification de l’activité. Site actif.
- Catalyseur, enzyme.
- Mutation récessive / dominante. Homozyogte / hétérozygote.
- ATP : structure générale et en quoi il peut servir de « monnaie d’échange énergétique » dans la cellule.
Format des notes
Numérique sur 20Littérale/grade américainPour les étudiants du diplôme Titre d’Ingénieur diplômé de l’École polytechnique
Vos modalités d'acquisition :
Examen final
- Contrôle écrit de 3h, exercices basés sur des articles de recherche.
- Tous documents autorisés (polycopiés cours, techniques, notes personnelles). Dictionnaire papier pour les étudiants non francophone. Calculatrice autorisée. Sont interdits : ordinateurs, Ipad, tablettes et téléphones portables ou tout matériel autorisant un accès internet.
L’examen final est noté sur 20. Cette note est la note classante.
Contrôle continu
Il n’y a pas de contrôle continu à proprement parler. Les QCM et devoirs à la maison ne sont pas notés, seule la participation à ces travaux est prise en compte. Ainsi, à la note de l’examen final s’ajoutent 3 points qui prennent en compte :
- L’assiduité en petites classes
- La participation en petites classes
- Le rendu des QCM et devoirs à la maison (proposés chaque semaine).
La note ainsi obtenue est utilisée pour établir la note littérale.
Le rattrapage est autorisé (note classante conservée). L'UE est acquise si note finale transposée >= C. Les modalités de l'examen de remplacement/rattrapage dépendent du nombre d'élèves concernés:
- Au-delà de 10, il s'agit d'une épreuve écrite dans un format comparable à l'épreuve originale.
- En deçà de 10 élèves, il s'agit d'une épreuve orale (45 minutes de préparation, tous documents autorisés, 30 minutes d'interrogation orale), qui, comme l’épreuve originale, portent sur des exercices basés sur des articles de recherche.
Le rattrapage est autorisé (Max entre les deux notes)
- le rattrapage est obligatoire si :
- Note initiale < 10
- le rattrapage peut être demandé par l'étudiant si :
- Note initiale < 10
- Crédits ECTS acquis : 5 ECTS
Le coefficient de l'UE est : 10
La note obtenue rentre dans le calcul de votre GPA.
La note obtenue est classante.
Pour les étudiants du diplôme Programmes d'échange internationaux
Le rattrapage est autorisé (Max entre les deux notes)- le rattrapage est obligatoire si :
- Note initiale < 10
- le rattrapage peut être demandé par l'étudiant si :
- Note initiale < 10
- Crédits ECTS acquis : 5 ECTS
La note obtenue rentre dans le calcul de votre GPA.
Programme détaillé
Le cours s’adresse à un public varié avec des attentes très différentes. Il a de ce fait plusieurs objectifs:
- Vous apportez des bases solides en biologie cellulaire. Ces bases sont indispensables à ceux qui souhaitent poursuivre en biologie, ou dans des carrières au contact de la biologie et des biotechnologies.
- Pour ceux qui n’iront pas au-delà de BIO_42051 en biologie, le cours leur donnera les clés pour comprendre les enjeux et révolutions en cours en biologie et en médecine. Le cours aborde par exemple : le cancer, l’épigénétique, les organismes génétiquement modifiés, la thérapie génique, les cellules souches, les organoïdes, la médecine personnalisée, la médecine régénérative.
- Vous confrontez à des raisonnements un peu différents. La biologie moderne est une science expérimentale jeune, en pleine explosion, dans laquelle beaucoup reste à découvrir. On y apprend à raisonner avec des inconnues, avec des incertitudes expérimentales, tout en restant rigoureux. L’expérience montre que c’est un exercice très formateur pour qui a reçu une formation plus mathématisée.
- Vous intéressez à une science en pleine explosion. Le cours, bien que partant des bases, tente le plus souvent possible d’aller jusqu’aux applications les plus récentes, à la base de changements majeurs en thérapeutique notamment. La biologie est aussi une science de plus en plus aux interfaces avec l’IA, la science des données, la physique, la mécanique ou la chimie. Les élèves de l’école, même sans formation antérieure en biologie, sont donc extrêmement bien positionnés pour devenir d’excellent biologistes.
Le cours est divisé en 10 chapitres (amphi + petite classe).
1) Introduction à la cellule.
Qu’est-ce qu’une cellule ? De quoi est-elle constituée ? Comment la cellule (et donc la vie) est-elle apparue sur terre ? Comment la vie a-t-elle évoluée depuis ?
2) La membrane biologique.
Une cellule est délimitée par une membrane qui sert à la fois de barrière à la diffusion et de zone d’échange de matière et d’information. De quoi est constituée cette membrane ? Quelles sont propriétés physico-chimiques ? Quelles conséquences fonctionnelles sur la vie des cellules ?
3) Compartimentation et trafic intra-cellulaire.
Chez certains être vivants (eucaryote), la cellule est subdivisée en compartiments (noyau par exemple). Quels sont les principaux compartiments et leurs fonctions ? Comment la cellule adresse-t-elle les bons constituants (protéine notamment) aux bons compartiments ?
4) La cellule et son environnement.
De nombreux être vivants sont constitués de plusieurs cellules (animaux, végétaux par exemple). Comment les cellules s’associent-elles pour construire ces organismes ? Comment communiquent-elles pour coordonner leurs activités ?
5) Division et cycle cellulaire.
Pour construire un organisme ou renouveler un tissu, de nouvelles cellules doivent être produites. Elles le sont par division d’une cellule mère en cellules filles. Comment se déroule cette division ? Comment s’assurer que chaque cellule fille reçoit tout ce dont elle a besoin ? Comment la division cellulaire est-elle régulée ? Comment limiter notamment la division et éviter la formation de cancer ?
6) Apoptose.
L’apoptose est un suicide cellulaire. Il fait partie de la vie normale d’un organisme. Pourquoi ? Comment une cellule se suicide-t-elle ? Comment prend-elle une telle décision ?
7) Identité cellulaire.
Dans les organismes pluricellulaires, toutes les cellules n’ont pas la même fonction (neurone vs muscle vs épiderme par exemple). Qu’est-ce qui diffère entre cellules différentes ? Quand et comment apparaissent les différences entre cellules ? Que sont les cellules souches, qui ne se différencient pas ou peu ? Quelles applications en thérapie (médecine régénérative / thérapie génique)
8) Mise en place des axes corporels.
Tous les animaux présentent des axes (3 le plus souvent : antéro-postérieur, dorso-ventral et gauche-droite). Tous ces organismes dérivent pourtant d’une unique cellule œuf dans laquelle ces axes ne semblent pas présents. Quand et comment faire apparaître des axes et des asymétries le long de ces axes. 3 exemples démontreront 3 façons différentes de faire apparaitre un axe corporel.
9) Morphogenèse.
La construction d’un organisme implique la création de formes (formes visibles du corps, mais aussi organisation des cellules en tissus et organes). Comment ces formes sont-elles construites ? Comment des cellules peuvent-elles se déplacer dans un organisme ? Quelles applications en médecine régénérative ?
10) Révisions
Mots clés
Biologie cellulaire, biologie du développement, trafic, membrane, division, cycle cellulaire, apoptose, morphogenèse, cellules souches, cancer, médecine régénérativeMéthodes pédagogiques
L’essentiel des connaissances est apporté lors des amphis. Un poly de cours et l’ensemble des supports d’amphis sont disponibles. Des versions vidéo des amphis sont à disposition. Des QCM et devoir à la maison sont proposés chaque semaine. Les petites classes permettent de mettre en œuvre les connaissances à travers des exercices issus d’articles de recherche, de se familiariser avec les techniques expérimentales, de se préparer à l’examen final.Support pédagogique multimédia
