ADN, Cycle Cellulaire, Mitose et Méiose

UE BIOLOGIE – SOCLE COMMUN : Biologie cellulaire

05 – STRUCTURE DEL'ADN ET CYCLE CELLULAIRE

Ce document détaille la structurede l'ADN, les différentes phases et la régulation du cycle cellulaire, ainsi que les distinctions clés entre la mitose et la méiose, mécanismes fondamentaux de la division cellulaire.

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

A. Structure de l'ADN

• L'ADN (Acide Désoxyribonucléique) est une molécule bicaténaire, c'est-à-dire composée de deux brins, organisée en double hélice dextre (s'enroule vers la droite).
• C'est un polymère de nucléotides, chacun constitué d'un sucre (désoxyribose), d'une base azotéeet d'un groupement phosphate.
• Le seul élément distinctif entre les nucléotides est la base azotée. Il en existe quatre :
  • Adénine (A)
  • Guanine (G)
  • Cytosine (C)
  • Thymine (T)
• Ces bases s'associent de manière spécifique :
  • L'Adénine s'apparie toujours avec la Thymine (via 2 liaisons hydrogène).
  • LaGuanine s'apparie toujours avec la Cytosine (via 3 liaisons hydrogène).
• C'est la succession spécifique de ces nucléotides qui porte l'information génétique.
• Le pas de l'hélice d'ADN est de $3,4$ nm, contenant $10$ paires de désoxyribonucléotides distants de $0,34$ nm. Le diamètre extérieur de la molécule d'ADN est de $2$ nm.
• La longueur de l'ADN varie considérablement selon les espèces. Parexemple, une bactérie comme Escherichia Coli possède $1$ mm d'ADN ($4 \times 10^4$ paires de bases), tandis que le génome humain d'un spermatozoïde (si on met les $23$ chromosomes bout à bout) mesure environ$1$ mètre ($10^8$ paires de bases).
• La structure antiparallèle des brins s'explique par l'orientation inversée des liaisons sucre-phosphate : un brin va de $3^{\prime}$ vers $5^{\prime}$ et l'autre de $5^{\prime}$ vers $3^{\prime}$.

B. Le complexe ADN - Histone

• Pour tenir dans le noyau cellulaire (volume restreint), l'ADN doit être condensé. L'ADN est associé à des protéines appelées histones.
• Leshistones sont des protéines en forme de petits cylindres autour desquels l'ADN s'enroule pour former des nucléosomes.
• Un nucléosome est un assemblage de 8 histones (octamère, composé de deux copies de quatre protéines différentes).
• L'histone de type H1 (Linker histone) permet de regrouper les nucléosomes et de former des structures plus compactes, les solénoïdes.
• Cette compaction permet de passer d'une fibre d'ADN de $2$ nm (ADN actif) àune fibre de $30$ nm (ADN inactif), facilitant ainsi son insertion dans le noyau.
• Le degré de compaction de l'ADN est lié à son activité :
  • Lorsque l'ADN est sous forme de fibre nucléosomique (structure en "chapelet de perles"), il est actif et accessible pour la transcription.
  • Lorsqu'il est condensé (fibre de $30$ nm), il est inaccessible à la machinerie de transcription, et celle-ci ne peut pas se faire.
• Au cours des différentes étapes de la vie cellulaire, les molécules d'ADN changent de niveau de condensation.

II. Le cycle de division cellulaire

Cycle cellulaire

• Le cycle cellulaire est l'ensemble des événements qu'une cellule traverseentre deux divisions. Il débute après la formation d'une cellule fille et se termine lorsqu'elle se divise à son tour.
• Il est influencé par des facteurs extrinsèques (externes) et intrinsèques (internes).
• Chez les procaryotes, les cycles de division sont rapides et la réplication du chromosome bactérien est continue.
• Chez les eucaryotes, le cycle est organisé en phases distinctes : G1, S, G2 et M.
• On distingue deux grandes étapes :
  • L'Interphase : comprend les phases G1, S et G2.
  • La Mitose (M) : caractérisée par la disparition de l'enveloppe nucléaire et l'apparition des chromosomes condensés.
• Pendant la phase S, la quantité d'ADN double.
• Les phases se succèdent dans un ordre cyclique : G1 $\rightarrow$ S $\rightarrow$ G2 $\rightarrow$ M.

Techniques d'étude du cycle cellulaire

L'étude du cycle cellulaire peut être visualisée via des graphiques où l'on observe la quantité d'ADN en fonction du temps, illustrant clairement le doublement de l'ADN en phase S.

Mise en évidence de la régulation du cycle cellulaire

La régulation du cycle cellulaire assure le respect de l'ordre des phases, la succession des quatre étapes, et inclut des points de contrôle pour surveiller l'intégrité de l'ADN et l'exactitude de sa réplication.

Expériencesde fusions cellulaires :

• Ces expériences consistent à fusionner des cellules à différents stades du cycle pour comprendre les mécanismes de régulation.
• $1^{\text{ère}}$ expérience : Fusion d'une cellule en mitose avec une cellule en G2.
  • Résultat : La cellule en interphase G2 entre en mitose (sa membrane disparaît).
  • Conclusion : Il existe un facteur capable d'induire la mitose, appelé MPF (Mitosis Promoting Factor).
• $2^{\text{ème}}$ expérience : Fusion d'une cellule en phase S avec une cellule en G1.
  • Résultat : L'ADN de la cellule en G1 se réplique et entre en phase S.
  • Conclusion : Lacellule en phase S contient un élément capable d'induire la réplication de l'ADN.
• $3^{\text{ème}}$ expérience : Fusion d'une cellule en phase S avec une cellule en G2.
  • Résultat : L'ADNde la cellule en G2 ne se réplique pas.
  • Conclusion : Il existe un mécanisme de contrôle qui empêche l'ADN de se répliquer deux fois au cours du même cycle.

La régulation du cycle cellulaire

• Le MPF est un facteur universel chez les eucaryotes, permettant le passage d'une cellule de la phase G2 à la phase M.
• Le MPF est un complexe composé de deux protéines :
  • Une sous-unité kinase : Cdk1 (Cyclin-dependent protein kinase 1).
  • Une seconde sous-unité : la cycline B.
• L'activité de Cdk1 est régulée par la cycline B.

Les différents points critiques au cours du cycle cellulaire

1. En phase G1, la cellule a besoin de facteurs de croissance externes pour être stimulée et poursuivre son cycle.
2. Certaines cellules peuvent sortir du cycle pour entrer en phase G0 (quiescence), où elles ne se développent plus mais ne sont pas mortes (ex: neurones).
3. Avant le passage en phase S, il y a une phase de vérification (point de contrôle) qui s'assure que :
   • La cellule est suffisamment volumineuse.
   • L'environnement est favorable.
4. Pendant la phase S (synthèse d'ADN), des mécanismes de contrôle vérifient que :
   • L'ADN est correctement dédoublé, et les molécules filles sont identiques aux parentales.
   • Des systèmesde correction interviennent en cas d'erreur. Si les erreurs persistent, la cellule peut subir l'apoptose (mort cellulaire programmée) afin de ne pas transmettre d'information génétique erronée.
5. Le passage en phase G2 comporte également des pointsde contrôle pour vérifier que :
   • Tout l'ADN est répliqué.
   • L'intégrité de l'ADN est assurée.
   • L'environnement est favorable et la cellule est assez volumineuse.
   • Il y a suffisamment d'éléments pour préparer la division (notamment les composants du cytosquelette).
6. Avant l'entrée en mitose, un point de contrôle majeur vérifie que tous les chromosomes sont alignés sur le fuseau mitotique. Cela garantit une répartition équitable des chromosomes entre les deux cellulesfilles.

Conclusion : De multiples points de contrôle (Checkpoints) jalonnent le cycle cellulaire pour assurer son bon déroulement et la fidélité de la transmission génétique.

Les familles de protéines qui régulent la division cellulaire :Les chefs d'orchestre : les kinases à cycline (cdk) et les inhibiteurs (cdki)

Le MPF (Cycline B/Cdk1) est un des principaux régulateurs du passage en mitose. Il existe plusieurs types de cyclines et de Cdk quicontrôlent différents moments du cycle cellulaire.

• Les Cdk (Cyclin-dependent kinases) sont des kinases dont l'activité est dépendante de leur association avec des cyclines.
  • La Cdk1 est exprimée de manière permanente aucours du cycle.
  • L'expression des cyclines est temporaire et cyclique. L'association de Cdk1 avec une quantité suffisante de cycline B active le MPF. La dégradation de la cycline B inactive le MPF.
• LesCdki (Cyclin-dependent protein kinase inhibitors) sont des inhibiteurs endogènes des complexes cycline-Cdk, qui bloquent ou ralentissent le cycle cellulaire.
  • Exemples : P16 et P21 interviennent en phase G1,P27 est également un Cdki, et P21 intervient aussi en phase S.

III. La mitose

La mitose est le processus de division cellulaire qui aboutit à la formation de deux cellules filles génétiquement identiques à lacellule mère.

A. Prophase

• C'est la phase la plus longue de la mitose, durant laquelle la chromatine diffuse se condense en chromosomes visibles.
• La condensation de la chromatine rend l'ADN inaccessible aux machineries detranscription, entraînant un arrêt progressif de la transcription.
• Le fuseau de division, composé de tubuline et de protéines associées, se met en place.
• Les centrosomes (dédoublés en phase S) seséparent et migrent vers les pôles opposés de la cellule, guidés par des microtubules polaires.
• En fin de prophase, l'enveloppe nucléaire se fragmente en vésicules sous l'action du MPF.

B. Prométaphase

• Les microtubules kinétochoriens, émanant des centrosomes, capturent les kinétochores des chromatides.
• Les chromosomes s'engagent dans des mouvements oscillatoires.

C. Métaphase

• Les chromosomes s'alignent sur le plan équatorial de la cellule, formant la plaque métaphasique.
• Un point de contrôle vérifie que tous les chromosomes sont correctement attachés et alignés pour assurer une répartition équitable.

D. Anaphase

• Grâce à des enzymes, les cohésines (protéines maintenant les chromatides sœurs ensemble) sont rompues, permettant la séparation des chromatides.
• Les microtubules kinétochoriens se dépolymérisent(se raccourcissent), tirant les chromatides, devenues des chromosomes à part entière, vers les pôles opposés de la cellule. C'est l'anaphase A.
• En anaphase B, la cellule s'allonge. Unanneau contractile (actine-myosine) se forme sur le plan médian, initiant l'étranglement de la cellule.

E. Télophase

• L'anneau contractile continue de se resserrer, menant au clivage de la cellule mère.
• L'enveloppe nucléaire se reforme autour des deux groupes de chromosomes aux pôles de la cellule, à partir des vésicules de l'enveloppe nucléaire maternelle.
• La chromatine des chromosomes commence à se décondenser.

F. La cytocinèse

• C'est la séparation définitive des deux cellules filles.
• Les chromatines sont complètement décondensées, permettant le retour de la transcription.
• Les cellules entrent alors en phase G1, débutantun nouveau cycle cellulaire.

IV. La méiose

La méiose est un processus de division cellulaire spécifique aux cellules germinales (à l'origine des gamètes). Contrairement à la mitose où une cellule diploïde ($2N$) donnedeux cellules diploïdes identiques, la méiose se compose de deux divisions successives précédées d'une seule réplication de l'ADN, aboutissant à la formation de quatre cellules haploïdes génétiquement différentes.

• Méiose I (Division réductionnelle) :
  • Après la duplication de l'ADN en phase S, les chromosomes homologues (composés de deux chromatides) se séparent en deux lots.
  • Cela réduit le nombre de chromosomes de $2N$ à $N$. Deux cellules haploïdes (avec des chromosomes àdeux chromatides) sont formées.
  • Ces cellules ne subissent pas de nouvelle réplication d'ADN avant la deuxième division.
• Méiose II (Division équationnelle) :
  • Les deux cellules haploïdes subissent une deuxième division.
  • Les chromatides de chaque chromosome se séparent.
  • Cela conduit à la formation de quatre cellules haploïdes, chacune avec $N$ chromosomes à une seule chromatide.
• La méiose est cruciale pourla diversité génétique. En prophase I, des enjambements (Crossing-Over) peuvent avoir lieu : un échange de fragments entre chromosomes homologues. Ceci génère des chromosomes recombinés porteurs de nouvelles combinaisons d'allèles, augmentant lavariabilité génétique des gamètes.

IV. LA MÉIOSE : Prophase I

La prophase I est particulièrement longue et complexe, divisée en 5 sous-phases caractéristiques de la méiose :

1. Leptotène : Les chromosomes commencent à se condenser et les chromosomes homologues se rapprochent.
2. Zygotène : Le complexe synaptonémal (complexe protéique non-histone) se forme, liant les deux chromosomes homologues sur presquetoute leur longueur.
3. Pachytène : Phase relativement longue caractérisée par une condensation et un raccourcissement intenses des chromosomes. C'est à ce stade que les crossing-over ont lieu, et les chromosomes homologues appariés forment des tétrades.
4. Diplotène : Le complexe synaptonémal se désagrège, et les paires de chromosomes homologues commencent à se séparer. Ils peuvent rester attachés en un ou plusieurs points au niveau des chiasmas, qui correspondent aux sitesdes crossing-over.
5. Diacinèse : Les deux chromosomes homologues se séparent complètement et migrent vers la périphérie du noyau.

Contrairement à la mitose où les chromatides de chaque chromosome se dirigent vers les cellulesfilles, en anaphase I de la méiose, ce sont les chromosomes homologues (composés chacun de deux chromatides) qui se séparent.

Au final, la méiose aboutit à 4 cellules gamètes haploïdes génétiquement différentes grâceaux crossing-over. Cette différence est essentielle pour maintenir la diversité génétique et pour qu'au moment de la fécondation, une cellule œuf diploïde ($2N$) soit formée.

Schéma récapitulant les différences entre la mitose et la méiose

Caractéristique	Mitose	Méiose
Type de cellules	Cellules somatiques	Cellules germinales (production degamètes)
Nombre de divisions	1	2 (Méiose I et Méiose II)
Réplication ADN	1 (avant la mitose)	1 (avant la méiose I)
Nombre de cellules filles	2	4
Ploïdie cellules filles	Diploïdes (identiques à la mère)	Haploïdes (différentes de la mère et entre elles)
Crossing-over	Non	Oui (en prophase I)
Rôle	Croissance, réparation tissulaire, reproduction asexuée	Reproduction sexuée, maintien du nombre de chromosomes, diversité génétique