UE6 – Capsule 9 : Division cellulaire et régulation

La division cellulaire permet de produire de nouvelles cellules ; associée à la différenciation, elle contribue à construire les tissus, à la croissance et au renouvellement de l’organisme. Son déroulement doit être régulé afin de limiter le risque de cancerisation.

Au cours du développement, la division, la prolifération et la différenciation cellulaires participent à la mise en place des tissus et à la croissance de l’individu. Chez l’adulte, elles contribuent notamment au remplacement des cellules. Ces événements surviennent à des moments et dans des localisations précis : leur régulation aide à éviter une prolifération incontrôlée.

Le cycle cellulaire est une séquence ordonnée au cours de laquelle une cellule double son contenu puis se divise en deux cellules. C’est le mécanisme essentiel de reproduction cellulaire ; sa durée varie fortement selon le type de cellule. Les conditions idéales permettent à certaines cellules de se diviser rapidement, tandis que d’autres se divisent très rarement.

Dans la couche basale de l’épiderme, des cellules souches se divisent occasionnellement. Si nécessaire, elles peuvent activer le cycle cellulaire ; leur descendance colonise progressivement les couches supérieures. En remontant, les cellules cessent de se diviser et se différencient, jusqu’à former la couche cornée, constituée de cellules mortes.

Les CDK sont des protéines kinases qui doivent s’associer à une cycline pour être activées. Dans les cellules qui prolifèrent, leur concentration reste constante pendant le cycle, mais leur activité est transitoire : elles agissent au moment approprié, sous le contrôle des cyclines, des phosphorylations et des CKI. Une CDK possède deux sites de fixation, l’un pour la protéine cible et l’autre pour l’ATP ; des changements de conformation peuvent en modifier l’accessibilité.

Les phosphorylations ne produisent pas toutes le même effet : certaines activent les CDK, d’autres les inhibent. Les protéines kinases, dont les CAK, ajoutent des phosphates activateurs ; les phosphatases peuvent retirer des phosphates inhibiteurs. À l’inverse, une kinase peut ajouter des phosphates inhibiteurs, tandis que les CKI freinent les CDK. Repère : une phosphorylation est un « interrupteur à phosphate », mais son effet dépend du site concerné.

La concentration des cyclines varie au cours du cycle, différemment selon leur type. Chaque cycline s’associe spécifiquement à une CDK ; les complexes cycline-CDK ont donc des périodes d’activité maximales correspondant à des phases ou à des transitions particulières. Il existe ainsi des complexes associés à G1, à la transition G1-S, à S, à G2 et à la transition G2-M, qui règle l’entrée en mitose.

La concentration d’une cycline augmente progressivement, puis chute brutalement lorsqu’elle est ciblée pour être détruite. Sa boîte de dégradation, appelée DBRP, est reconnue par des protéines qui ajoutent des chaînes d’ubiquitine : cette polyubiquitinylation signale la cycline au protéasome, qui la dégrade. Ainsi, la synthèse puis la destruction cycliques des cyclines activent puis inhibent les CDK, contribuant au passage ordonné d’une phase à l’autre.

À retenir : la CDK fournit l’activité kinase, tandis que la cycline en règle le fonctionnement dans le temps et selon la phase. Par exemple, le complexe cycline-CDK spécifique de la transition G2-M devient actif lorsque les conditions d’activation de la CDK sont réunies ; la dégradation de la cycline permet ensuite d’interrompre l’activité du complexe. Les couples successifs assurent ainsi une régulation temporelle plutôt qu’une activité constante des CDK.

Les CKI sont des freins moléculaires : elles inhibent négativement les complexes cycline-CDK et peuvent arrêter le cycle à des points de contrôle. Elles sont particulièrement importantes en G1 et en phase S. P21 peut se lier au complexe et bloquer la poche de fixation de l’ATP ; P16 peut empêcher la formation du complexe en se liant à la CDK, ou se fixer au complexe déjà formé et gêner l’utilisation de l’ATP.

Repère comparatif : P16 peut agir avant ou après l’association cycline-CDK, tandis que P21 est décrite ici comme bloquant la poche de l’ATP après sa liaison au complexe. Le gène codant P16 est un gène suppresseur de tumeurs, car son action contribue au blocage de la prolifération ; il est fréquemment altéré dans les tumeurs. Ne pas confondre ces freins avec les cyclines : les cyclines règlent l’activité des CDK, alors que les CKI la diminuent ou la bloquent.

La mitose répartit le matériel génétique de la cellule mère à l’identique entre deux cellules filles. Le résultat est constitué de deux lots identiques d’information génétique, chacun transmis à une cellule fille. La mitose conserve donc le nombre de chromosomes.

La mitose est un phénomène continu, même si on le décrit traditionnellement en étapes. Elle comprend deux processus à distinguer : la caryodiérèse, division du noyau, puis la cytodiérèse, division du cytoplasme. Ces termes désignent des opérations différentes, mais coordonnées au cours de la division cellulaire.

La caryodiérèse sépare le matériel génétique en deux lots identiques. Elle se décompose en cinq phases, dans cet ordre : prophase, prométaphase, métaphase, anaphase et télophase. Cette succession décrit les changements d’aspect des chromosomes et leur organisation par rapport au fuseau mitotique.

Le fuseau mitotique est responsable de la ségrégation, c’est-à-dire de la séparation des chromosomes entre les deux lots. Leur répartition correcte permet à chaque cellule fille de recevoir une copie identique du matériel génétique de la cellule mère. La caryodiérèse ne correspond donc pas à la division du cytoplasme.

La cytodiérèse correspond à la division du cytoplasme et à la répartition des organites cellulaires. Elle complète ainsi la division du noyau : la caryodiérèse répartit les chromosomes, tandis que la cytodiérèse sépare le cytoplasme. Ensemble, ces deux processus aboutissent à deux cellules filles.

L’interphase représente environ 90 % du cycle et comprend G1, S et G2. G1 suit la mitose ; sa durée est la plus longue et la plus variable selon le type cellulaire. Dans une cellule somatique humaine, la cellule possède 2n = 46 chromosomes et une quantité d’ADN de 2C, chaque chromosome n’ayant alors qu’une chromatide.

En G1, la cellule décide soit de poursuivre vers la division, soit de sortir temporairement ou définitivement du cycle. Une cellule qui ne se divise pas est en quiescence, ou G0 ; des signaux mitogènes peuvent lui permettre de réintégrer le cycle. Si elle poursuit, elle contrôle son environnement et sa taille : celle-ci doit doubler avant l’entrée en phase S.

Le passage G1-S dépend du point de restriction R, situé en fin de G1 : le franchir engage irréversiblement la cellule dans le mécanisme de division. G0 peut donc être temporaire si des signaux mitogènes surviennent, ou durable ; une cellule qui reprend le cycle doit notamment avoir atteint la taille requise.

La phase S, entre G1 et G2, est celle de la réplication de l’ADN. Elle débute aux origines de réplication, séquences réparties en plusieurs endroits de chaque chromosome qui recrutent les protéines nécessaires à l’initiation et à l’achèvement de la réplication. Les segments d’ADN répliqués à partir de ces origines constituent des réplicons.

La réplication n’est pas synchrone : à un instant donné, seuls 10 à 15 % des réplicons synthétisent activement l’ADN, certains précocement et d’autres tardivement. Dans une cellule humaine, on peut observer jusqu’à 10 000 foyers de réplication ; chacun est actif environ 30 minutes au cours des 8 à 10 heures de la phase S et contient 5 à 6 origines. Par exemple, plusieurs foyers peuvent être actifs tandis que d’autres réplicons attendent leur période de réplication.

La synthèse de l’ADN est étroitement couplée à celle des histones, qui contribuent à la compaction de l’ADN et à la mise en place de la chromatine. Les centrosomes se dupliquent également pendant S ; cette duplication contribue à la stabilité du génome et prépare la mise en place du fuseau mitotique et la répartition équitable des chromosomes.

G2 commence lorsque la réplication est achevée. Le nombre de chromosomes reste 2n = 46 dans une cellule diploïde humaine, mais chaque chromosome possède deux chromatides sœurs et la quantité d’ADN est de 4C. Ainsi, le nombre de chromosomes reste constant au cours du cycle, tandis que la quantité d’ADN passe de 2C en G0 et G1 à 4C en G2, en augmentant pendant S.

En G2, les enzymes nécessaires à l’entrée en mitose s’accumulent et deviennent progressivement actives ; lorsqu’elles atteignent un niveau critique, la cellule peut entrer en mitose. La chromatine et le cytosquelette se préparent également aux changements de la division. Si l’ADN endommagé est détecté, la réponse de contrôle retarde l’entrée en phase M afin que la cellule tente de le réparer ; si la réparation échoue ou est impossible, une apoptose peut être déclenchée.

Le point R, situé en fin de G1, est un point de non-retour : après son franchissement, la cellule progresse irréversiblement dans le cycle. Il dépend de Rb, d’E2F et des complexes cycline-CDK de transition G1-S. En G1, Rb non phosphorylée s’associe à E2F, facteur de transcription, et bloque ainsi la progression.

À la transition G1-S, les complexes cycline-CDK phosphorylent Rb, qui se dissocie alors d’E2F. E2F libre active ses gènes cibles nécessaires à l’entrée en phase S. Une fois la phase S engagée, E2F est à son tour inactivé par phosphorylation par le complexe cycline-CDK spécifique de S ; Rb ne redevient déphosphorylée qu’à l’issue de la mitose.

Une perturbation peut déclencher deux réponses. La réponse rapide inactive une phosphatase, ce qui empêche l’activation des complexes cycline-CDK de transition G1-S. La réponse lente stabilise p53 et entraîne l’expression de p21, une CKI qui inhibe ces complexes ; le cycle s’arrête.

Normalement peu abondante, p53 augmente notamment après une lésion de l’ADN, une hypoxie ou une surexpression d’oncogènes. Si l’ADN ne peut pas être réparé, ou si la perturbation persiste, la cellule peut déclencher l’apoptose. Ainsi, après une lésion de l’ADN, p53 stabilisée induit p21, qui freine les complexes cycline-CDK plutôt que de laisser la cellule entrer en S.

L’entrée en mitose dépend du MPF, complexe formé par la CDK spécifique de la phase M et sa cycline. La CDK phosphoryle des protéines associées aux chromosomes, à l’enveloppe nucléaire, aux nucléoles et aux centrosomes ; ces modifications provoquent les changements structuraux de la mitose. L’activité du MPF doit donc être déclenchée au bon moment, puis rapidement éteinte.

La cycline de phase M commence à être synthétisée en phase S et s’associe à la CDK ; les complexes s’accumulent durant S et G2. Toutefois, deux phosphorylations inhibitrices maintiennent la CDK inactive pendant l’interphase, en empêchant la fixation de l’ATP. En fin de G2, Cdc25 retire ces phosphates inhibiteurs et une phosphorylation activatrice contribue à l’activation des complexes : le MPF peut alors déclencher la mitose.

La surveillance de G2-M répond notamment aux lésions de l’ADN. La réponse rapide phosphoryle Cdc25 et la séquestre dans le cytoplasme, à distance de la CDK de phase M : celle-ci ne peut alors être activée par la levée de ses phosphorylations inhibitrices.

La réponse lente repose sur p53. Elle n’est pas nécessaire pour décider l’arrêt en G2, mais contribue à le maintenir : p53 peut réprimer l’expression des gènes de la cycline et de la CDK de phase M, et induire p21. P21 inhibe directement la CDK de phase M et bloque aussi la CAK, qui contribue normalement à son activation.

Le centrosome, ou MTOC, est voisin du noyau. Il comprend deux centrioles cylindriques reliés par des filaments, baignés dans le matériel péricentriolaire, agrégat dynamique de protéines. Pendant la phase S, le centrosome se duplique ; les deux centrosomes restent côte à côte jusqu’à la mitose, où ils organisent le fuseau. Chaque cellule fille en reçoit un.

La chromatine se condense progressivement en chromosomes à deux chromatides, unies au centromère. La phosphorylation des histones H1 et de la condensine contribue à cette condensation ; phosphorylée, la condensine entre dans le noyau. L’ADN devient inaccessible à la transcription et les nucléoles disparaissent. Dans le cytoplasme, les centrosomes s’écartent, organisent les asters et les microtubules polaires ; le cytosquelette se réorganise, la cellule s’arrondit, et Golgi et réticulum se fragmentent en vésicules.

La rupture de l’enveloppe nucléaire suit la disparition du réseau de lamins phosphorylées ; l’enveloppe se disperse en vésicules. Le fuseau peut alors rencontrer les chromosomes grâce aux kinétochores, complexes situés aux centromères. Les microtubules capturent d’abord un kinétochore, puis l’autre s’attache à un microtubule issu du pôle opposé. Les microtubules kinétochoriens permettent ces attaches ; leurs mouvements dynamiques déplacent les chromosomes dans le fuseau.

Les chromosomes s’alignent à égale distance des pôles sur la plaque équatoriale ; leurs mouvements s’achèvent et la longueur des microtubules est stable. Le fuseau comprend les microtubules kinétochoriens, attachés aux chromosomes ; les polaires, dont les extrémités positives se chevauchent à l’équateur ; et les astraux, reliés à la membrane et impliqués dans l’orientation du fuseau par la dynéine.

Le clivage des centromères sépare les chromatides sœurs, qui deviennent des chromosomes indépendants. Lors de l’ascension polaire, les microtubules kinétochoriens raccourcissent et entraînent les chromosomes vers les pôles ; simultanément, les microtubules polaires s’allongent et écartent les pôles. Deux lots identiques se forment : la mitose conserve le nombre de chromosomes.

Aux pôles, les chromosomes s’arrêtent puis se décondensent ; kinétochores et fuseau disparaissent. Les lamins se réassemblent à la surface des chromosomes et permettent le recrutement des vésicules de l’ancienne enveloppe nucléaire : le noyau se reforme. Golgi et réticulum se reconstituent, l’ADN redevient accessible et le nucléole réapparaît. La déphosphorylation des lamins permet le réassemblage de l’enveloppe.

La cytodiérèse divise le cytoplasme et répartit les organites. Elle débute à l’anaphase avec un anneau contractile d’actine et de myosine II, sous la membrane plasmique et à égale distance des asters ; des protéines d’ancrage le relient à la membrane. En se contractant, il entraîne l’invagination membranaire et forme le sillon de division. Quand le sillon atteint le reste du fuseau, un corps intermédiaire se forme puis se rompt à ses extrémités : les deux cellules filles deviennent indépendantes.

En métaphase, le point de contrôle du fuseau vérifie que les chromosomes sont correctement attachés au fuseau mitotique. L’attachement des kinétochores et la tension exercée par les microtubules sont indispensables pour autoriser la séparation des chromatides sœurs. Si une chromatide n’est pas attachée, ou si la tension est insuffisante, le point de contrôle est activé et retarde l’anaphase.

Le blocage passe par la séquestration de la sous-unité activatrice de l’APC/C, le complexe promoteur de l’anaphase-cyclosome. L’APC/C ne peut alors pas déclencher la polyubiquitinylation de ses cibles. L’ubiquitine sert d’étiquette : les protéines ainsi marquées sont reconnues puis dégradées par le protéasome.

Quand tous les chromosomes sont correctement attachés, l’APC/C est activé. Il permet la destruction de la sécurine, qui inhibait jusque-là la séparase. Libérée, la séparase clive les cohésines maintenant les chromatides sœurs liées : leur séparation déclenche l’anaphase et leur migration vers des pôles opposés.

L’APC/C contribue aussi à inactiver le MPF, le complexe cycline-CDK de phase M : il polyubiquitinyle la cycline mitotique, ensuite détruite par le protéasome. La CDK est également déphosphorylée, ce qui rend le complexe inactif, puis rephosphorylée sur ses sites inhibiteurs. Cette inactivation lors de la transition métaphase-anaphase permet à la cellule de terminer la mitose : le fuseau se désassemble, les chromosomes se décondensent, l’enveloppe nucléaire se reforme, la transcription reprend et l’appareil de Golgi se réassemble.