Biologie Cellulaire: ADN, Mitose et Méiose

I. L'ADN, support de l'information génétique

A. Structure de l'ADN

• L'ADN (Acide Désoxyribonucléique) est une molécule bicaténaire, organisée en double hélice dextre.

• C'est un polymère de nucléotides, composé d'un sucre (désoxyribose), d'une base azotée et d'un groupement phosphate.

• Les nucléotides sont différenciés par leur base. Il existe 4 bases : Adénine (A), Guanine (G), Cytosine (C) et Thymine (T).

• L'ADN est stabilisé par des liaisons chimiques entre ces bases, suivant un appariement exclusif : A avec T (2 liaisons) et G avec C (3 liaisons).

• L'information génétique est portée par la succession de ces nucléotides.

Structure tertiaire et tridimensionnelle

• Le pas de l'hélice d'ADN est de 3,4 nm et contient 10 paires de désoxyribonucléotides.

• Le diamètre extérieur de l'ADN est de 2 nm.

• La longueur de l'ADN varie selon les espèces :

  • Escherichia Coli : 1 mm de long, 4 x 106 paires de bases.

  • Spermatozoïdes : 1 m de long, 109 paires de bases.

• Le cadre antiparallèle (brins 3'-5' et 5'-3') résulte de l'arrangement inverse des groupements phosphate et des sucres sur les deux brins de l'ADN.

B. Le complexe ADN - histone

L'ADN est associé à des protéines pour se condenser et rentrer dans le volume restreint du noyau cellulaire. L'ADN est protégé dans la chromatine.

• Les histones sont des protéines qui forment un petit cylindre autour duquel l'ADN s'enroule, facilitant sa condensation.

• Ces structures sont appelées nucléosomes, un assemblage de 8 histones (octamère).

• L'histone de type H1 (linker histone) regroupe les nucléosomes pour former des solénoïdes.

• La compaction permet de passer d'une fibre de 2 nm (ADN actif) à une fibre de 30 nm (ADN inactif), permettant l'entrée de l'ADN dans le noyau.

• Le degré de compaction de l'ADN reflète son activité. Pour la synthèse de protéines, la machinerie de transcription déroule l'ADN et le détache des histones.

• L'ADN sous forme de fibre nucléosomique (chapelet de perles) est actif. L'ADN condensé (fibre de 30 nm) est inaccessible à la transcription.

• Les molécules d'ADN connaissent différents degrés de condensation au cours de la vie cellulaire.

II. Le cycle de division cellulaire

Cycle cellulaire

• Le cycle cellulaire est l'ensemble des événements qu'une cellule traverse entre deux divisions. Il commence à la formation des cellules et se termine à leur division en deux cellules filles.

• Des facteurs extrinsèques et intrinsèques peuvent modifier le cycle.

• Procaryotes : cycles de divisions rapides, chromosome bactérien en réplication constante.

• Eucaryotes : mécanismes distincts avec des phases et intervalles bien définis. Le cycle cellulaire comprend 4 phases successives : G1, S, G2, M.

Les différentes phases du cycle cellulaire

• Deux grandes étapes :

  • L'Interphase : comprend les phases G1, S et G2.

  • La Mitose : caractérisée par la disparition de l'enveloppe nucléaire et l'apparition des chromosomes.

• La phase S est le moment où la quantité d'ADN double.

• Les phases se succèdent selon un cycle.

Techniques d'étude du cycle cellulaire

• Observation des phases du cycle en suivant la quantité d'ADN par cellule.

• Méthode : incorporation d'une molécule fluorescente liée à l'ADN, puis quantification par cytométrie en flux.

• Résultats :

  • Un premier pic pour les cellules en phase G1.

  • Un plateau pour la phase S (doublement de l'ADN).

  • Un deuxième pic pour les cellules en phase G2 et M (double quantité d'ADN).

• La durée des phases varie selon les espèces cellulaires.

Mise en évidence de la régulation du cycle cellulaire

Le cycle cellulaire est régulé par des mécanismes qui assurent l'ordre des phases, vérifient le passage entre elles (points de contrôle) et surveillent l'intégrité de l'ADN.

Expérience de fusions cellulaires

• But : déterminer si une cellule contient un facteur de stimulation d'une étape du cycle.

• Les cellules à des stades différents du cycle fusionnent, formant une cellule à deux noyaux.

• 1re expérience : Fusion cellule en mitose / cellule en interphase G2. La cellule en G2 entre en mitose, indiquant la présence d'un facteur induisant la mitose (le MPF).

• 2e expérience : Fusion cellule en phase S / cellule en G1. L'ADN de la cellule en G1 se réplique et entre en phase S, montrant que la cellule en phase S contient un élément capable d'induire la réplication de l'ADN.

• 3e expérience : Fusion cellule en phase S / cellule en G2. L'ADN de la cellule en G2 ne se réplique pas, en raison d'un mécanisme de contrôle empêchant la double réplication.

La régulation du cycle cellulaire

• Le MPF (Mitosis Promoting Factor ou M-Phase Promoting Factor) est un facteur universel chez les eucaryotes qui permet à la cellule de passer de G2 en M.

• Le MPF est un complexe de 2 protéines : une sous-unité kinase (cdk1) et une seconde sous-unité, la cycline B. L'activité de la kinase est régulée par la cycline.

Les différents points critiques au cours du cycle cellulaire

• Point 1 (G1) : La cellule a besoin de facteurs de croissance pour continuer son cycle.

• Point 2 (G0) : Certaines cellules peuvent sortir du cycle pour entrer dans une phase de quiescence (ex: neurones).

• Point 3 (G1) : Les cellules en G1 nécessitent des facteurs de croissance jusqu'au point de contrôle.

• Point 4 (Avant phase S) : Phase de vérification (volume cellulaire et environnement favorable).

• Point 5 (Phase S) : Vérification que l'ADN est correctement dédoublé et que les mécanismes de correction existent.

• Point 6 : Si les systèmes de réparation sont débordés, il y a apoptose.

• Point 7 (G2) : Vérification que tout l'ADN est répliqué, intégrité de l'ADN, environnement et volume cellulaire favorable, et éléments du cytosquelette prêts.

• Point 8 (Entrée en mitose) : Point de contrôle de l'alignement des chromosomes sur le fuseau mitotique pour assurer une répartition équitable.

Les familles de protéines qui régulent la division cellulaire

• Les kinases à cycline (cdk) et les inhibiteurs (cdki) régulent le cycle.

• Il existe plusieurs types de cyclines et cdk qui contrôlent le cycle.

• Les Cdki (Cyclin-dependant protein kinase inhibitors) sont des inhibiteurs endogènes qui bloquent ou ralentissent le cycle cellulaire (ex: P16, P21, P27).

MPF et régulation de son activité selon l'expression de ses sous-unités

• Le MPF est issu de l'association de cdk1 et cycline B.

• L'expression de cdk1 est permanente, tandis que celle de la cycline B est temporaire et cyclique.

• La fixation de la cycline B à cdk1 forme le MPF actif. Sa dégradation rend le MPF inactif.

Les différents rôles du MPF

• Condensation des chromosomes par phosphorylation des histones H1 pour une ségrégation équitable.

• Désorganisation et dépolymérisation des lamines (éléments du cytosquelette) et désorganisation du RE et du Golgi.

• Agit sur les inhibiteurs qui limitent la traduction et la transcription pendant la mitose.

• Agit sur le cytosquelette (microtubules et actine) pour le réarrangement et la formation du fuseau de division.

• Active le système protéolytique de l'Ubiquitine, qui dégrade la cycline B, auto-régulant ainsi sa propre dégradation.

III. La mitose

Généralités

• La mitose est le processus de division d'une cellule mère en 2 cellules filles identiques, avec une répartition équitable du cytoplasme et des organites.

• La cellule a dupliqué ses chromosomes et son centrosome pendant la phase S.

• Durant la mitose, la cellule doit condenser la chromatine, faire disparaître la membrane nucléaire, séparer les chromatides et les répartir.

• La mitose comprend les phases suivantes : Prophase, Prométaphase, Métaphase, Anaphase, Télophase, suivie par la cytocinèse.

• Après la mitose, la cellule entre en interphase (G1, S, G2).

A. Prophase

• C'est la phase la plus longue de la mitose, caractérisée par la condensation de la chromatine en chromosomes.

• L'ADN devient inaccessible aux machineries transcriptionnelles, entraînant l'arrêt des transcriptions.

• Formation du fuseau de division (composé de tubuline et de protéines). Les centrosomes se séparent et les microtubules rayonnent, permettant aux centrioles de rejoindre les pôles de la cellule.

• En fin de prophase, l'enveloppe nucléaire se fragmente en petites vésicules (sous l'action du MPF).

B. La prométaphase

• Phase courte, essentielle pour le déroulement de la mitose.

• Caractérisée par la disparition complète de l'enveloppe nucléaire et la désagrégation des organites (RE, Golgi) en petites vésicules.

• Les chromosomes entrent en contact avec les microtubules kinétochoriens via les kinétochores.

• Les microtubules s'attachent d'abord en unipolaire, puis en bipolaire aux kinétochores.

• Les chromosomes se déplacent vers le plan médian de la cellule (plaque métaphasique) par polymérisation/dépolymérisation des microtubules.

C. Métaphase

• Alignement des centromères et des centrosomes sur le plan équatorial.

• Un point de contrôle vérifie l'attachement et l'alignement des chromosomes pour assurer une répartition équitable.

D. Anaphase

• Rupture des cohésines par des enzymes.

• Les microtubules kinétochoriens se dépolymérisent, entraînant les chromosomes vers les pôles de la cellule (Anaphase A). Chaque pôle reçoit un chromosome à une chromatide.

• La cellule s'allonge et un sphincter se forme sur le plan médian grâce à des protéines contractiles (actine-myosine), préparant la télophase (Anaphase B).

E. Télophase

• Les protéines contractiles continuent d'agir, provoquant le clivage de la cellule mère (fusion des membranes) et la formation de deux cellules filles.

• La chromatine des chromosomes se décondense.

• L'enveloppe nucléaire réapparaît à partir de vésicules de l'enveloppe nucléaire de la cellule mère.

F. Cytocinèse

• C'est le stade à deux cellules.

• Séparation définitive des deux cellules filles.

• Les chromatines sont complètement décondensées, permettant le retour de la transcription.

• Les cellules entrent en phase G1.

IV. La méiose

Définition

• La méiose est une division cellulaire spécifique menant à la formation de gamètes (mâles et femelles).

• C'est un phénomène régulateur préalable à la fécondation.

• Le système de cellules est diploïde (2n). Pendant la fécondation, les gamètes sont modifiés pour avoir un génome haploïde (n).

• Au cours de la mitose, une cellule diploïde 2n donne 2 cellules diploïdes identiques.

• Au cours de la méiose, les cellules à l'origine des gamètes subissent 2 divisions successives avec une seule réplication préalable.

• Méiose I : Après la réplication en phase S, les chromosomes subissent une division réductionnelle (2n chromosomes à n chromosomes). On obtient 2 cellules haploïdes avec des chromosomes à 2 chromatides. Ces cellules ne subissent pas de réplication avant la méiose II.

• Méiose II : Division équationnelle (n chromosomes à 2 chromatides à n chromosomes à 1 chromatide).

• On obtient 4 cellules haploïdes différentes, source de diversité génétique.

• En prophase I, les enjambements (Crossing-Over) entraînent un échange de morceaux de chromosomes homologues.

• Ceci permet d'obtenir des chromosomes différents.

Prophase I

• Condensation de la chromatine en 4 sous-phases :

  • Leptotène : rapprochement des chromosomes homologues.

  • Zygotène : formation du complexe synaptonémal (complexe protéique non-histone), liant les chromatides sur toute la longueur du chromosome.

  • Pachytène : phase longue de condensation et raccourcissement des chromosomes. Les crossing-over ont lieu à ce stade, formant des tétrades.

  • Diplotène : désassemblage du complexe synaptonémal. Les paires de chromosomes homologues se séparent en 4 chromatides, qui restent attachées par des chiasmas (zones d'enjambement).

  • Diacinèse : séparation des deux chromosomes qui migrent vers la périphérie.

• Contrairement à la mitose, en anaphase I de la méiose, les deux chromatides restent associées. Le chromosome part pour donner des cellules avec un nombre haploïde de chromosomes.

• Les 4 cellules obtenues ont un patrimoine génétique différent. Ce sont des gamètes haploïdes avec un chromosome à une chromatide, essentiel pour la fécondation, pour obtenir une cellule œuf à 2n chromosomes.