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cellule (biologie) 1

PRÉSENTATION

Euglène Les euglènes sont des organismes unicellulaires munis d'un flagelle. Biophoto Associates/Science Source/Photo Researchers, Inc.

cellule (biologie), plus petite unité fonctionnelle d'un être vivant. Les organismes unicellulaires procaryotes (bactéries) ou eucaryotes (protistes), généralement microscopiques, sont composés d’une seule cellule, tandis que les organismes pluricellulaires (métazoaires) sont faits de nombreuses cellules réunies en ensembles spécialisés. On peut opposer deux grands types de cellules en terme de taille et d’organisation interne : les cellules procaryotes et les cellules eucaryotes. Parmi les eucaryotes, les cellules végétales et animales sont en revanche très proches, de par leur structure fondamentale.

Dinoflagellé La classe des dinoflagellés (ou dinophycées), organismes unicellulaires, comprend des formes qui cumulent des affinités avec le règne végétal (réalisation de la photosynthèse) et le règne animal (ingestion de proies). La plupart des dinoflagellés sont capables de se déplacer grâce à un ou à plusieurs flagelles animés de battements réguliers.Espèce Ceratium tripos, microscopie électronique. Eric V. Grave/Phototake NYC

De nombreux arguments, morphologiques et chimiques, démontrent que les cellules de tous les êtres vivants, animaux ou végétaux, dérivent d'une même cellule primitive — voir origine de la vie.

2

GÉNÉRALITÉS

2.1

Caractéristiques communes

En dépit de leurs nombreuses différences d'aspect et de fonction, toutes les cellules ont un certain nombre de points communs : elles sont entourées d'une membrane (dite membrane plasmique) enveloppant une substance riche en eau, le cytoplasme. La membrane plasmique définit la frontière entre l'intérieur et l'extérieur de la cellule. Toutes les cellules contiennent par ailleurs des informations héréditaires contenues dans l’ADN sous forme de chromosomes qui portent les gènes. L’ADN contrôle les activités de la cellule et lui permettent de se reproduire en transmettant ses caractéristiques à ses descendantes, issues des divisions cellulaires ; il est le support de l’hérédité.

2.2

Diversité

Les cellules, bien que généralement microscopiques (il existe cependant des exceptions, telle la bactérie Thiomargartia namibiensis, qui mesure 0,75 mm, ou la cellule-œuf des oiseaux, dont le diamètre se compte en centimètres), sont de taille et de formes variables. Les plus petites sont les bactéries (procaryotes), avec une taille le plus souvent comprise entre 0,5 et 100 micromètres — µm (1 µm = 1 millième de millimètre) —, mais certaines, les nanobactéries, n’excèdent pas 0,2 µm. Les bactéries ont des formes très diverses, en bâtonnet, en spirille, sphérique, etc., maintenue par une paroi peptique qui entoure la membrane plasmique. Certaines portent des flagelles, longs de 20 µm en moyenne. Les cellules végétales ont, elles aussi, une forme déterminée (généralement polygonale ou rectangulaire), conférée par une paroi de cellulose. Leur taille est comprise entre 20 et 30 µm en moyenne. Les cellules des champignons sont comparables, mais sont entourées d’une paroi non de cellulose, mais de chitine. Les cellules animales ne sont pas rigides : leur membrane plasmique n’est entourée d’aucune paroi. Leur forme globale est maintenue par les fibres du cytosquelette (réseau de protéines contractiles parcourant le cytoplasme), qui assurent également leurs mouvements éventuels. Leur taille est généralement comprise entre 10 et 20 µm. Les corps cellulaires des différents types de cellule sont donc, de façon générale, de taille inférieure à 30 µm. Certaines cellules peuvent toutefois posséder des prolongements de leur cytoplasme extrêmement longs. Ainsi les poils absorbants des racines des plantes, représentant chacun le prolongement d’une cellule, peuvent être longs de plusieurs centimètres. Chez les animaux, les axones, prolongements des cellules nerveuses (neurones), peuvent atteindre plusieurs mètres (girafe, baleine…).

2.3

Cellule procaryote versus cellule eucaryote

Procaryote : une bactérie Le cytoplasme d'une bactérie ne contient ni organites ni noyau cellulaire. Le chromosome de la bactérie, constitué d'ADN, est libre dans le cytoplasme, dans lequel « flottent » également les ribosomes. Ce cytoplasme est entouré, comme n'importe quelle cellule, par une membrane plasmique, constituée de phospholipides. Autour de cette dernière se trouve toujours une paroi peptidique, plus ou moins épaisse. C'est l'épaisseur de la paroi qui détermine la réaction à la coloration de Gram, qui permet de classer les bactéries en gram + (paroi épaisse) et gram - (paroi fine). Une troisième couche protège encore la cellule bactérienne : la capsule. De nombreuses bactéries possèdent, en outre, des excroissances diverses, comme des pili (cils) et un ou plusieurs flagelles servant à la propulsion. © Microsoft Corporation. Tous droits réservés.

Comparées aux cellules eucaryotes, les cellules procaryotes ont une structure très simple. Elles ne contiennent aucun organite ; toutes les réactions biochimiques sont réalisées par des composants (enzymes, ribosomes, protéines) en solution dans le cytoplasme. De même, leur matériel génétique est libre dans le cytoplasme formant un chromosome unique, circulaire. De nombreuses bactéries possèdent toutefois par ailleurs de petits brins d’ADN supplémentaires, également circulaires, appelés plasmides. Chez les eucaryotes au contraire, le matériel génétique, composé de plusieurs chromosomes en bâtonnet, est enfermé dans une structure appelée noyau, délimité par une double membrane, la membrane nucléaire. C’est sur cette différence fondamentale qu’ont été construits les mots eucaryote, « vrai noyau » et procaryote, « avant le noyau ». Par ailleurs, les cellules eucaryotes contiennent de grandes surfaces membranaires : toutes les fonctions cellulaires sont en effet compartimentées et réalisées par des structures spécialisées entourées chacune d’une membrane, les organites.

2.4

Cellules des plantes, des champignons et des animaux

Eucaryote : une cellule végétale Se différenciant de la cellule procaryote notamment par son cloisonnement interne de membranes et par la présence d'un noyau, lui-même entouré d'une membrane, la cellule eucaryote est l'unité fondamentale de la vie animale et végétale. Les cellules végétales ont de nombreux points communs avec les cellules animales, mais un certain nombre de caractéristiques les en distinguent. Parmi elles,

on peut citer la présence de plastes, principalement des chloroplastes, organites qui sont le siège de la photosynthèse et qui possèdent leur propre matériel génétique, et celle de vacuoles moins nombreuses et nettement plus grandes que les vacuoles des cellules animales. On note aussi, autour des cellules végétales, la présence d'une paroi rigide, formée de cellulose et de pectine, qui n'existe pas autour des cellules animales. © Microsoft Corporation. Tous droits réservés.

Les cellules des végétaux, des champignons et des animaux sont des eucaryotes très proches dans leur structure. Les différences se situent principalement au niveau de la paroi qui entoure (ou non) la membrane plasmique et de la présence ou absence de chloroplastes. Les cellules végétales sont ainsi entourées d’une paroi rigide de cellulose (molécule qui n’existe pas) et contiennent, outre tous les organites communs aux autres eucaryotes, des chloroplastes capables de réaliser la photosynthèse. Par ailleurs, leur cytoplasme est en grande partie occupé par une vaste vacuole. Les cellules des champignons sont entourées d’une paroi rigide de chitine (une protéine que l’on retrouve par exemple chez les insectes) ; leurs autres caractéristiques sont celles des cellules animales. Celles-ci, dépourvues de paroi, le sont également de chloroplastes. Les vacuoles sont petites et dispersées dans le cytoplasme.

3 ÉLÉMENTS STRUCTURAUX 3.1 Membrane plasmique Membranes plasmiques Cette photographie en microscopie électronique, à la jonction de deux cellules, permet de voir les membranes plasmiques (membranes simples constituées d'une double couche de phospholipides) qui entourent toutes les cellules du monde vivant et délimitent leur milieu interne (cytoplasme). Don W. Fawcett/Science Source/Photo Researchers, Inc.

La membrane plasmique est composée d’une double couche de lipides particuliers (phospholipides en majorité, mais aussi glycolipides et cholestérol) associés à des protéines et à des molécules de glucides. Les phospholipides qui forment la structure de base de la membrane plasmique sont composés de deux parties distinctes : une partie hydrophile (« qui aime l’eau ») et une partie hydrophobe (« qui repousse l’eau ») — les phospholipides sont des molécules dites amphiphiles. Les phospholipides s’assemblent spontanément entre eux par leur partie hydrophile pour former une double couche, laissant les parties hydrophobes tournées vers l’extérieur.

Structure de la membrane plasmique La membrane plasmique est la membrane qui entoure toutes les cellules, procaryotes (bactéries) ou eucaryotes. Elle est constituée d'une double couche de phospholipides où sont insérées des molécules de cholestérol, et à la surface de laquelle affleurent des protéines. Les protéines qui traversent la membrane de part en part sont dites transmembranaires.Les molécules de phospholipides sont constitués d'une tête hydrophile (qui aime l'eau) d'une queue hydrophobe (qui repousse l'eau). Les deux couches de phospholipides se font face dans la membrane, les têtes dirigées vers l'extérieur et les queues vers l'intérieur. Les têtes hydrophiles sont en contact avec le cytoplasme et le liquide extracellulaire, tandis que les queues hydrophobes empêchent les molécules solubles dans l'eau de traverser la membrane, tout en permettant le passage des molécules liposolubles. La membrane joue donc un rôle essentiel dans la régulation de la composition du cytoplasme et du liquide extracellulaire.Les protéines membranaires assurent une multitude de fonctions. Les protéines de transport, canaux ou pompes, assurent le passage d'un côté ou de l'autre de la membrane de grosses molécules hydrosolubles comme les sucres et certains acides aminés. Les glycoprotéines, protéines associées à des résidus glucidiques, jouent un rôle dans l'identification de la cellule par le système immunitaire.Sous la membrane, le cytosquelette, réseau de protéines filamenteuses dont certaines sont contractiles, assurent le maintien de la forme de la cellule et ses mouvements éventuels (certains globules blancs, notamment, sont capables de se déplacer par mouvements amiboïdes).La membrane plasmique est une structure dynamique : les molécules de phospholipides sont en continuel déplacement. Les molécules de cholestérol de la membrane plasmique agissent comme des stabilisateurs qui limitent les mouvements de glissement entre les deux couches de phospholipides ; plus les molécules de cholestérol sont nombreuses, moins la membrane est fluide. © Microsoft Corporation. Tous droits réservés.

Les protéines insérées dans la bicouche lipidique sont responsables des fonctions de la membrane. Certaines la traversent de part en part on parle de protéines transmembranaires. D’autres, plus rares, ne sont associées qu’à l’une des deux couches lipidiques, interne ou externe. Les protéines qui affleurent du côté externe sont appelées protéines de surface. Dans les cellules eucaryotes, les protéines membranaires sont souvent liées, du côté externe, à des molécules de glucides (oligosaccharides ou polysaccharides). Ces glucides de surface joueraient un rôle dans la reconnaissance entre cellules. La membrane plasmique n’est pas une structure figée, mais fluide : les lipides et les protéines qui composent la bicouche diffusent en permanence de façon latérale. Plus rarement, les phospholipides peuvent également passer d’une couche à l’autre.

3.2

Cytoplasme

Cytoplasme Le cytoplasme, délimité par la membrane plasmique, est le plus vaste compartiment des cellules eucaryotes. L'étude au microscope électronique à balayage des structures cellulaires de la levure Rhodosporidium toryloides permet de visualiser, au sein du cytoplasme, l'emplacement des organites cellulaires et celui du noyau (zone circulaire sur la droite). Dennis Kunkel/CNRI/Phototake NYC

Le cytoplasme, unique compartiment des cellules procaryotes et compartiment le plus vaste des cellules eucaryotes, est constitué d’un gel aqueux appelé cytosol parcouru par les fibres du cytosquelette et comprenant de nombreuses molécules en solution. Chez les eucaryotes, c’est également le compartiment qui renferme les organites. voir cytoplasme.

3.3

Organites des cellules eucaryotes

Mitochondrie Les mitochondries, présentes dans le cytoplasme de la cellule, produisent l'énergie nécessaire aux fonctions vitales. Don Fawcett-Keith Porter/Photo Researchers, Inc.

Les cellules eucaryotes renferment des organites spécialisés, qui assurent la plupart des réactions biochimiques nécessaires à son fonctionnement. On peut distinguer plusieurs types d’organites : les organites impliqués dans les synthèses cellulaires (réticulum endoplasmique, appareil de Golgi), ceux impliqués dans le catabolisme cellulaire, c’est-àdire les dégradations des molécules (lysosome, peroxysome…), les organites produisant de l’énergie sous forme d’ATP et/ou des molécules organiques (mitochondries et chloroplastes) et enfin, le noyau cellulaire, qui renferme le matériel génétique. voir organite.

3.4

Matériel génétique et acides nucléiques

Doubles hélices d'ADN Modélisation en trois dimensions de deux molécules d'ADN, chacune constituée d'une succession de nucléotides formant deux hélices enroulées l'une autour de l'autre. Ken Eward/Photo Researchers, Inc.

Le matériel génétique de toutes les cellules, procaryotes et eucaryotes, est composé d’ADN (acide désoxyribonucléique), assemblé par compactage autour de protéines en chromosomes. C’est sur ces chromosomes que l’on trouve les gènes. Ceux-ci contrôlent la synthèse des protéines et, d’une façon plus générale, toutes les activités de la cellule.

Chromosomes géants Les chromosomes sont formés d'ADN et de protéines. Les cellules des glandes salivaires de la drosophile, ou mouche du vinaigre, contiennent des chromosomes géants, facilement observables au microscope. Chacun de ces chromosomes, les chromosomes polyténiques, est constitué d'un nombre

très élevé de chromosomes homologues accolés. Présents également dans certaines glandes sécrétrices d'autres insectes, ils constituent un matériel de choix pour les biologistes. London Scientific Films/Oxford Scientific Films

Une cellule contient également un autre acide nucléique indispensable à son fonctionnement, les ARN (acides ribonucléiques), dont il existe plusieurs types : l’ARN messager ou ARNm, qui permet la conversion du code génétique des gènes en protéines (c’est la traduction), l’ARN de transfert ou ARNt, qui apporte les acides aminés nécessaires à une chaîne protéique en cours d’élaboration, et l’ARN ribosomal ou ARNr, l’un des composants des ribosomes.

4 ACTIVITÉS CELLULAIRES 4.1 Métabolisme cellulaire 4.1.1 Synthèses cellulaires (anabolisme) Les synthèses cellulaires constituent la partie anabolisme du métabolisme cellulaire. Elles consistent en la fabrication de protéines, de glucides et de lipides à partir de leurs composants de base et d’énergie, généralement fournie sous forme d’ATP. Elles comprennent aussi la production de nouveaux brins d’ADN au cours des divisions cellulaires. La synthèse des protéines se fait en deux étapes : tout d’abord lecture du gène correspondant par une enzyme (l’ARN polymérase) qui élabore un brin complémentaire d’ARN messager ou ARNm (c’est la transcription), puis lecture de cet ARNm par des ribosomes qui fabriquent les chaînes protéiques (c’est la traduction). Chez les procaryotes, tout le processus de synthèse protéique se déroule dans le cytoplasme. Chez les eucaryotes, la transcription a lieu dans le noyau, et la traduction dans le cytoplasme. Des glucides sont souvent associés à des protéines au cours des étapes finales de la synthèse de celles-ci, pour donner des glycoprotéines, localisées en particulier au niveau des membranes cellulaires. La synthèse des lipides se fait au niveau du réticulum endoplasmique lisse ; des lipides et des glucides peuvent être associés, donnant des glycolipides qui entrent eux aussi dans la composition des membranes cellulaires.

4.1.2

Dégradations cellulaires (catabolisme)

Une cellule est en renouvellement permanent. Les molécules « usées » sont dégradées et décomposées en leurs composants de base (acides aminés, sucres simples…), qui sont recyclées pour fabriquer de nouvelles molécules. Ces dégradations se font en majorité dans des organites spécialisés remplis d’enzymes, tels les lysosomes et les peroxysomes.

4.1.3

Production d’énergie

L’énergie nécessaire aux activités de synthèses cellulaires est essentiellement fournie par les mitochondries grâce au phénomène de la respiration cellulaire, qui consiste en l’oxydation de molécules organiques. La chaîne de respiration fournit de l’ATP, molécule hautement énergétique intervenant dans la plupart des réactions de synthèse. L’origine des molécules organiques, qui sont la source première fournissant cette énergie, permet de distinguer deux grands types de cellules et d’organismes : — les autotrophes fabriquent elles-mêmes leurs molécules organiques en utilisant l’énergie lumineuse ou chimique de leur environnement ; les végétaux, notamment, convertissent l’énergie du soleil en énergie chimique grâce à la photosynthèse réalisée par les chloroplastes ; — les hétérotrophes puisent les molécules organiques dans leur milieu (alimentation), principalement par absorption chez les champignons et par ingestion chez les animaux.

4.2

Transports membranaires

4.2.1

Transport des ions et des molécules hydrosolubles

Le transport à travers les membranes cellulaires Le transport des molécules à travers les membranes des cellules peut s’effectuer selon plusieurs modalités : par simple diffusion à travers les membranes (petites molécules uniquement), ou par différents processus de transport impliquant des protéines (canaux ou protéines transporteuses), avec ou sans consommation d’énergie. La fonction fondamentale du transport à travers les membranes est de maintenir les différences de composition entre le milieu intracellulaire (cytoplasme) et le milieu extracellulaire. © Microsoft Corporation. Tous droits réservés.

La membrane plasmique, présentant de part et d’autre les parties hydrophobes des phospholipides, est imperméable. Les ions et les molécules hydrosolubles ne peuvent donc la traverser. Pour assurer le transport de ces molécules, la membrane plasmique comprend deux types de protéines spécialisées : les canaux et les protéines porteuses. Les canaux sont des pores dont les « parois » sont des assemblages de protéines ; ils sont ouverts en permanence. Les protéines porteuses sont des protéines de transport qui se fixent à une molécule d’un côté de la membrane et la font passer de l’autre coté. Lorsqu’elles transportent des molécules dans le sens contraire à leur diffusion naturelle (sens contraire au gradient de concentration), le mécanisme nécessite de l’énergie sous forme d’ATP. Ces dispositifs permettent à la cellule de maintenir des concentrations, d'ions ou de petites molécules, différentes de celles du milieu environnant.

4.2.2

Transport des macromolécules

Les macromolécules (protéines, glucides, lipides) sont trop grosses pour être prises en charge par les transporteurs de la membrane. Leur transport se fait par l’intermédiaire de vésicules membranaires : ce sont les phénomène d’exocytose (qui assure la sortie des macromolécules de la cellule) et d’endocytose (entrée des molécules).

4.2.2.1

Exocytose

Un échange continuel de matériaux se produit entre le réticulum endoplasmique et l'appareil de Golgi. Là, les molécules sont triées et envoyées vers leur destination finale par des vésicules membranaires. Certaines sont des molécules de sécrétion : elles fusionnent avec la membrane plasmique et libèrent leur contenu dans le milieu extérieur, c’est l’exocytose.

4.2.2.2

Endocytose

Nutrition de l'amibe (phagocytose) L'amibe, organisme unicellulaire ne comportant aucun organe, s'approche d'une paramécie, cellule beaucoup plus petite, et commence à la cerner avec deux excroissances de cytoplasmes appelées pseudopodes. Quand la paramécie sera complètement entourée, une vacuole se formera autour d'elle ; sa membrane sera constituée des membranes soudées des pseudopodes. La paramécie sera alors digérée. Peter Parks/Oxford Scientific Films

À la surface de la cellule, des portions de la membrane plasmique s'invaginent continuellement vers l’intérieur, formant dans le cytoplasme des vésicules d’endocytose. Ce mécanisme permet à la cellule de capturer diverses substances et molécules du milieu extérieur. La phagocytose, réalisée par des cellules spécialisées, est une forme d’endocytose. Elle permet à la cellule d’ingérer des particules de grande taille, voire des

cellules entières. La pinocytose, quant à elle, permet l’intégration de petites gouttelettes de liquide du milieu extérieur.

4.3

Communications cellulaires

Fonctionnement d'une synapse chimique Les synapses constituent les zones de jonction entre deux neurones ou entre un neurone et une cellule effectrice (cellule musculaire par exemple), et permettent la transmission d'une information de l'un à l'autre.Dans une synapse chimique, l'extrémité de l'axone du neurone présynaptique contient des vésicules (petits organites entourés d'une membrane) remplies de neuromédiateurs. L'arrivée d'un influx nerveux (potentiel d'action) provoque la migration des vésicules et leur fusion avec la membrane du neurone. Cette fusion permet la libération des molécules de neuromédiateurs dans l'espace synaptique. Ces molécules vont ensuite se fixer sur les récepteurs membranaires spécifiques de la cellule post-synaptique, ce qui déclenche chez cette dernière une réponse appropriée (nouvel influx nerveux s'il s'agit d'un neurone, contraction s'il s'agit d'une cellule musculaire, etc.).L'activité des neuromédiateurs est limitée dans le temps, notamment grâce au processus de recapture par le neurone présynaptique, qui stocke à nouveau les molécules dans des vésicules. © Microsoft Corporation. Tous droits réservés.

Pour former un organisme pluricellulaire fonctionnel, les cellules, réunies en tissus spécialisés, doivent être jointes les unes aux autres et communiquer entre elles. Chez les plantes supérieures, les cellules sont reliées entre elles par des ponts cytoplasmiques (appelés plasmodesmes) qui traversent la paroi cellulosique et autorisent le passage de diverses molécules, dont les hormones végétales. Les cellules de la plupart des animaux sont liées par un réseau de grandes molécules organiques (appelé matrice extracellulaire) et par adhésion entre les membranes plasmiques. Les systèmes de communications cellulaires, complexes, mettent en particulier en jeu des récepteurs insérés dans la membrane cellulaire, sur lesquels des molécules « signaux » se fixent, induisant une réponse intracellulaire (le plus souvent une cascade de réactions biochimiques). Parmi ces molécules figurent notamment les neurotransmetteurs (ou neuromédiateurs) et les hormones.

5 DIVISIONS CELLULAIRES 5.1 Mitose

Mitose © Microsoft Corporation. Tous droits réservés.

La « reproduction » (en fait la multiplication) des organismes unicellulaires, et la croissance et l’entretien des organismes pluricellulaires impliquent la création de nouvelles cellules — de même que leurs composants, les cellules d’un organisme se renouvellent en permanence — à partir des cellules existantes, et qui doivent avoir le même patrimoine génétique. Le processus de division cellulaire impliqué est la mitose. Pour une présentation complète de ce mécanisme, voir l’article mitose.

5.2

Méiose

Méiose © Microsoft Corporation. Tous droits réservés.

Chez les organismes pluricellulaires qui pratiquent la reproduction sexuée, un autre type de division cellulaire est impliqué : la méiose. Celle-ci permet la formation des cellules sexuelles (gamètes) à partir de cellules dites germinales. Elle se fait par deux divisions cellulaires successives particulières, pour donner des cellules ne possédant qu’un seul exemplaire de chaque chromosome. Pour une présentation complète de ce mécanisme fondamental de la reproduction sexuée, voir l’article méiose.

6

DIFFÉRENCIATION CELLULAIRE

Embryogenèse chez les amphibiens Les premières divisions cellulaires (mitoses) de l'œuf fécondé (ici un œuf de grenouille) ont pour résultat un amas de cellules de plus en plus petites. Quelques heures après la première mitose, les cellules forment une petite sphère creuse, appelée blastula. Les divisions, migrations et différenciations cellulaires suivantes produiront une gastrula, structure à trois feuillets : endoderme (qui donnera le tube digestif), mésoderme (à l'origine des muscles) et ectoderme (peau et système nerveux). C'est à partir de ces structures que les organes de la grenouille vont se différencier (organogenèse). Oxford Scientific Films

La différenciation cellulaire ne concerne que les organismes pluricellulaires. Elle a pour conséquence de produire des cellules aux fonctions précises et spécialisées (généralement agencées en tissus et en organes), souvent différentes sur le plan morphologique. Les neurones, par exemple, sont des cellules souvent polygonales et dotées de longs prolongements cytoplasmiques ; ils sont spécialisés dans la transmission de l’influx nerveux. Les kératinocytes de l’épiderme synthétisent de la kératine, certaines cellules du pancréas de l’insuline, etc. Cependant, derrière d’importantes différences de forme et de fonction, toutes les cellules d’un organisme donné renferment le même génome et les mêmes informations génétiques. La différenciation cellulaire ne se fait en effet pas par suppression de l’information génétique qui n’est pas nécessaire à la cellule, mais par inactivation des gènes correspondants. Ainsi, dans toute cellule, certains gènes sont inactivés (« éteints »), d’autres activés (« allumés »). Diverses molécules jouent le rôle d’« interrupteur » en se fixant (ou pas), sur des séquences d’ADN spécifiques situées de part et d’autre des gènes. Durant les tout premiers stades du développement d’un embryon, chacune des cellules souches qui le constituent est capable de devenir n’importe quel type cellulaire spécialisé (ces cellules sont dites totipotentes). Lorsqu’une cellule est engagée sur la voie de la différenciation, le phénomène est réversible durant les premiers stades, mais devient ensuite irréversible. Une cellule entièrement différenciée ne peut pas revenir au stade embryonnaire ni se transformer en un autre type de cellule.