Division et Mort Cellulaire Eucaryote/Procaryote

I. La division des cellules eucaryotes et procaryotes

A. Introduction et rappels

Omnis cellula e cellula ("Chaque cellule naît d'une cellule.") - Rudolph Virchow, 1855

Le cycle cellulaire est la séquence ordonnée d'événements qui jalonne la vie d'une cellule, depuis sa formation à partir d'une cellule mère jusqu'à sa propre division en deux cellules filles.

Rôles du cycle cellulaire

• Reproduction : Chez les organismes unicellulaires eucaryotes comme l'amibe, la division cellulaire permet la formation de deux individus complets.

• Croissance et développement : Essentiel pour la formation et le développement d'organismes pluricellulaires, tel l'embryon de dollar des sables.

• Régénération des tissus : Permet le remplacement des cellules endommagées ou vieillissantes, comme la production de nouvelles cellules sanguines à partir de cellules souches de moelle osseuse.

B. Le cycle cellulaire d'une cellule procaryote

La plupart des bactéries se reproduisent par scissiparité, une division asexuée.

Processus de scissiparité

1. Une jeune cellule en début de cycle.

2. La cellule parente s'agrandit (paroi, membrane, volume global).

3. Le septum (nouvelle paroi cellulaire) commence à se former vers l'intérieur. Les chromosomes (répliqués) se déplacent vers les pôles opposés de la cellule. Les autres composants cytoplasmiques sont répartis dans les deux futures cellules.

4. Le septum est complètement formé au centre, et la membrane se referme, créant deux chambres cellulaires séparées.

5. Les deux cellules filles se séparent complètement ou restent attachées, formant des chaînes (Streptococcus sp.), des paires ou des amas (Staphylococcus sp.) si les divisions se font selon des plans perpendiculaires.

Éléments clés

• Scissiparité : Processus de division cellulaire des procaryotes, formant deux cellules bactériennes identiques à partir d'une seule.

• Croissance cellulaire avant la division.

• Réplication et répartition du chromosome.

• Cytocinèse (formation du septum).

C. Le cycle cellulaire d'une cellule eucaryote

Chez les organismes eucaryotes pluricellulaires adultes se reproduisant sexuellement, on distingue deux types de cellules :

• Cellules germinales : Lignée cellulaire qui donne naissance aux gamètes (ovules et spermatozoïdes), permettant la reproduction de l'organisme.

• Cellules somatiques : Lignées cellulaires majoritaires chez l'humain, assurant une grande diversité de fonctions à l'exception de la reproduction (ex: cellules musculaires, épithéliales, hépatiques, immunitaires).

Les cellules germinales et somatiques subissent des divisions mitotiques. Cependant, seules les cellules souches se divisent continuellement dans l'organisme.

Cellules souches

Ce sont des cellules somatiques ou germinales indifférenciées qui ont la capacité de :

• Se diviser (via le cycle cellulaire).

• Se différencier (se spécialiser progressivement dans une fonction spécifique et acquérir une morphologie caractéristique), ce qui les oriente vers une lignée cellulaire spécifique et aboutit à la production de cellules différenciées (ex: épithéliales, musculaires, sanguines, fibroblastes).

D. La réplication de l'ADN

Notions préalables : Les enzymes

Les enzymes sont des protéines qui agissent comme catalyseurs de réactions biochimiques. Leur action est rendue possible par une interaction spécifique avec un substrat (S) via un site actif, formant un complexe Enzyme-Substrat. L'enzyme transforme le(s) substrat(s) en produit(s) (P). Chaque enzyme est spécifique à un type de réaction.

Deux groupes d'enzymes importants

1. Les polymérases : Synthetisent des polymères de nucléotides (acides nucléiques).

   • ARN polymérases : Synthétisent des molécules d'ARN. Elles peuvent démarrer la synthèse d'une molécule d'ARN à partir d'un modèle d'ADN simple brin.

   • ADN polymérases : Synthétisent des molécules d'ADN. Elles ne peuvent PAS démarrer la synthèse d'une molécule d'ADN à partir d'un modèle d'ADN simple brin et nécessitent une amorce (brin d'ARN ou d'ADN complémentaire) avec une extrémité 3'OH libre.

   Ces enzymes synthétisent de nouvelles molécules d'acide nucléique (ADN/ARN) en appariant les bases du brin modèle, toujours dans le sens 5' vers 3'.

2. Les nucléases : Rompent les liaisons phosphodiester entre les nucléotides des acides nucléiques (ADN ou ARN).

   • Endonucléases : Clivent les liaisons au centre d'une molécule d'acide nucléique.

   • Exonucléases : Clivent les liaisons aux extrémités d'une molécule (deux directions possibles).

Mécanismes et acteurs de la réplication de l'ADN

La réplication de l'ADN se déroule en plusieurs étapes clés, impliquant un ensemble d'enzymes formant le réplisome.

1. Les origines de réplication (ORI)

   • Les ORI sont des sites de démarrage de la réplication sur l'ADN parental.

   • Elles sont uniques chez les procaryotes et multiples chez les eucaryotes, permettant à ces derniers de répliquer l'ADN simultanément à plusieurs endroits.

   • Les ORI sont reconnues par les hélicases.

2. L'hélicase

   • Elle ouvre la molécule d'ADN en rompant les ponts hydrogène entre les bases, créant un œil de réplication composé de deux fourches de réplication.

   • Elle évolue dans deux directions opposées, ce qui rend la réplication bidirectionnelle.

3. L'ADN gyrase (une topoisomérase)

   • Elle réduit la tension due à la torsion engendrée par l'ouverture de la double hélice en coupant et recollant l'ADN parental.

4. Les ARN polymérases (primases)

   • Elles synthétisent des amorces d'ARN (environ 20 nucléotides) nécessaires à l'ADN polymérase pour débuter la synthèse du nouveau brin d'ADN.

5. Les amorces

   • Ces courtes séquences d'ARN fournissent l'extrémité 3'OH libre que l'ADN polymérase requiert.

6. Les ADN polymérases

   • Elles se fixent à l'extrémité 3' des amorces et ajoutent les nouveaux nucléotides un à un, respectant la complémentarité des bases du brin modèle.

   • La synthèse progresse toujours dans le sens 5' vers 3' sur le brin en cours de synthèse.

   • Elles catalysent la formation des liaisons phosphodiester.

   • Les nucléotides sont disponibles dans le noyau, synthétisés par le métabolisme cellulaire.

Synthèse des brins

• Brin continu (ou directeur) : Sa synthèse se fait à partir d'une seule amorce, et l'ADN polymérase l'allonge de manière continue jusqu'à l'extrémité de la molécule d'ADN ou une autre origine de réplication.

• Brin discontinu (ou retardé) : Sa synthèse se fait par de multiples petits fragments appelés fragments d'Okazaki.

  • La primase synthétise de nombreuses amorces, et la synthèse se fait de manière "reculante" par rapport à l'avancement de l'hélicase.

  • L'ADN polymérase synthétise chaque court fragment à partir de l'extrémité 3'OH de chaque amorce.

Enzymes supplémentaires

• ADN polymérases avec activité exonucléase 5' > 3' : Certaines ADN polymérase sont dotées d'une activité 5' > 3' exonucléase. Elles retirent les nucléotides d'ARN des amorces et les remplacent par des nucléotides d'ADN.

• L'ADN ligase : Elle intervient pour créer les liaisons phosphodiester entre les fragments d'Okazaki (brin discontinu), les reliant ainsi.

L'ensemble de ces enzymes (ADN et ARN polymérases, hélicase, ligase, etc.) forme le réplisome, comparable au ribosome pour la synthèse protéique.

La réplication de l'ADN au laboratoire : la PCR

La réaction en chaîne par polymérase (PCR) est une technique de laboratoire qui reproduit la réplication de l'ADN in vitro.

1. Dénaturation : Chauffage de l'ADN pour le rendre monocaténaire (séparer les deux brins).

2. Hybridation (Annélation) : Abaissement de la température pour permettre la liaison d'amorces spécifiques à l'ADN cible.

3. Élongation : Synthèse d'un nouveau brin par une ADN polymérase thermostable à une température optimale.

Ces trois étapes sont répétées plusieurs fois pour amplifier exponentiellement la quantité d'ADN souhaitée.

Les télomères

Les télomères sont les séquences d'ADN spécifiques situées aux extrémités des chromosomes eucaryotes. Elles jouent un rôle crucial en :

• Protection : Elles protègent les extrémités des chromosomes des nucléases et maintiennent leur intégrité.

• Vieillissement cellulaire : À chaque réplication, les chromosomes ont tendance à se raccourcir car l'amorce du brin discontinu à l'extrémité ne peut pas être remplacée par de l'ADN. Pour compenser cela, l'enzyme télomérase allonge les télomères.

Rôle de la télomérase

• La télomérase utilise un ARN interne comme modèle pour allonger l'ADN aux extrémités des chromosomes, ajoutant des séquences répétées.

• L'activité de la télomérase diminue avec l'âge chez l'adulte, sauf dans les cellules à forte division (ex: lymphocytes).

• La longueur des télomères est directement liée au nombre de divisions cellulaires possibles.

• L'introduction expérimentale de télomérase peut augmenter la durée de vie des cellules.

Télomères et Cancer

• Dans les cellules cancéreuses, la télomérase est souvent réactivée, ce qui leur permet de se diviser indéfiniment et contribue à l'immortalité des cellules tumorales.

• Le raccourcissement des télomères peut avoir un effet suppresseur de tumeur en induisant un arrêt de la prolifération. Cependant, une perte excessive de protection télomérique peut entraîner une instabilité génomique propice au développement du cancer.

Caractéristiques de la réplication de l'ADN

• Semi-conservative : Chaque nouvelle molécule d'ADN est composée d'un brin parental et d'un brin nouvellement synthétisé.

• Semi-continue : En raison de la synthèse 5' → 3' de l'ADN polymérase et de la nature antiparallèle des brins, un brin est synthétisé continuellement (brin directeur), tandis que l'autre est synthétisé par fragments (brin retardé ou discontinu) nécessitant plusieurs amorces.

• Bidirectionnelle : Deux fourches de réplication se forment à l'origine de réplication et se déplacent en sens inverse, copiant les deux brins matrices simultanément.

Comparaison Réplication Eucaryotes VS Procaryotes

E. Le stade M chez les eucaryotes : mitose et cytocinèse

Le stade M comprend la mitose (division du noyau) et la cytocinèse (division du cytoplasme).

Chromosomes

• Un chromosome est une longue molécule d'ADN linéaire et ininterrompue associée à des protéines.

• Durant l'interphase, l'ADN est sous forme de chromatine relâchée.

• Au moment de la division cellulaire, l'ADN se condense autour d'un échafaudage protéique pour former des chromosomes métaphasiques (ou mitotiques).

• Après la réplication, chaque chromosome est composé de deux molécules d'ADN identiques appelées chromatides sœurs, maintenues ensemble par des protéines appelées cohésines.

• Le centromère est une constriction du chromosome où se trouvent des séquences d'ADN répétées qui se lient à des protéines spécifiques, les kinétochores.

Étapes de la mitose

1. Prophase

   • Les chromosomes se condensent et deviennent visibles, apparaissant sous forme de deux chromatides sœurs reliées au centromère.

   • Le cytosquelette se désorganise, et le fuseau mitotique commence à se former.

   • L'appareil de Golgi et le RER se dispersent.

   • L'enveloppe nucléaire se fragmente.

2. Prométaphase

   • Les chromosomes s'attachent aux microtubules au niveau des kinétochores.

   • Chaque chromosome est orienté de manière à ce que les kinétochores des chromatides sœurs soient attachés aux microtubules des deux pôles.

   • Les chromosomes commencent à migrer vers l'équateur du fuseau.

3. Métaphase

   • Tous les chromosomes sont alignés à l'équateur de la cellule, formant la plaque métaphasique.

   • Les chromosomes sont attachés aux deux pôles et sont sous tension.

4. Anaphase

   • Les protéines liant les centromères des chromatides sœurs sont dégradées, les libérant.

   • Les chromosomes sont tirés vers les deux pôles (anaphase A).

   • Les pôles du fuseau s'écartent (anaphase B).

5. Télophase

   • Les chromosomes sont regroupés aux deux pôles et se décondensent.

   • De nouvelles enveloppes nucléaires se reforment autour des chromosomes.

   • Le complexe de Golgi et le RER se reforment.

   • Les lamines, filaments intermédiaires, jouent un rôle essentiel dans la formation et la destruction de la membrane nucléaire durant la mitose.

Cytocinèse

La cytocinèse est la division effective du cytoplasme qui suit la mitose.

• Dans les cellules animales : Un sillon de clivage se forme grâce à un anneau contractile de microfilaments, divisant la cellule en deux moitiés.

• Dans les cellules végétales : Une plaque cellulaire se forme au centre et divise les cellules.

F. Gestion de la croissance cellulaire au laboratoire

Généralités

Cultiver des cellules implique de fournir des substrats et milieux adaptés et de contrôler les conditions environnementales. La croissance cellulaire est limitée par les nutriments disponibles et l'accumulation de déchets toxiques.

• Les cellules normales en culture se multiplient jusqu'à former une monocouche.

• La densité de la population est limitée par les nutriments, les facteurs de croissance et la surface d'ancrage disponible.

Techniques et courbes de croissances

Culture cellulaire eucaryote (mammifères)

• Conditions de culture :

  • Milieux riches en acides aminés, sucres, vitamines.

  • Température : 30-37°C (le plus souvent).

  • pH : Maintenu par injection de CO₂ dans les incubateurs (tamponnage du milieu).

  • Stérilité : Essentielle pour éviter la croissance bactérienne et fongique, qui pourraient consommer les milieux et inhiber la croissance des cellules de mammifères.

Culture cellulaire procaryote (bactérienne)

• La croissance des microorganismes est fortement influencée par les conditions chimiques et physiques de l'environnement (pression osmotique, pH, température, oxygène).

• Les levures et champignons microscopiques, bien qu'eucaryotes, se cultivent généralement dans des conditions similaires à celles des bactéries.

Conditions de croissance spécifiques

• Pression osmotique : Influence la survie et la croissance.

• pH : Les bactéries ont un pH optimal pour leur croissance.

• Température : Influe sur l'activité enzymatique et les membranes.

  • Mésophiles : Se développent entre 20°C et 45°C, avec un optimum de 35-37°C (la plupart des agents pathogènes humains).

• Oxygène : Corrélation avec le métabolisme de l'organisme.

  • Aérobies strictes : Exigent de l'O₂ (ex: Pseudomonas sp.).

  • Microaérophiles : Nécessitent une faible concentration d'O₂ (2-10%) (ex: Campylobacter sp.).

  • Anaérobies/aérobies facultatifs : Peuvent croître avec ou sans O₂, mais préfèrent l'O₂ (respiration aérobie) (ex: Streptococcus sp.).

  • Anaérobies aérotolérants : Peuvent croître en présence d'O₂ mais ne l'utilisent pas (fermentation) (ex: Enterococcus sp.).

  • Anaérobies strictes : Inhibés ou tués par l'O₂ (ex: Clostridium sp.).

Numérations cellulaires

Les objectifs des numérations cellulaires sont :

• Vérifier l'état d'une culture (proportion cellules vivantes/mortes).

• Suivre la croissance cellulaire.

• Préparer une suspension cellulaire à une concentration donnée pour des expériences.

Méthodes de numération

• Chambres de comptage (ex: Burker, Thoma, Petroff-Hausser) : Elles sont calibrées, et le comptage se fait au microscope.

  • Pour les procaryotes : Utilisation de colorants fluorescents (DAPI, SYBR Green) qui colorent l'ADN, comptage au microscope à fluorescence.

  • Pour les eucaryotes : Utilisation de colorant (bleu de Trypan) pour distinguer les cellules vivantes des mortes.

• Impédance (méthode de comptage automatique).

II. La mort cellulaire et l'autophagie

A. La mort cellulaire : définition et intérêt

Toutes les cellules de notre organisme ont une durée de vie limitée afin de maintenir l'homéostasie tissulaire (l'équilibre physiologique). Les raisons pour lesquelles les cellules doivent mourir incluent :

• Perte de signaux de vie (hormones).

• Cellules infectées par des agents pathogènes (immunité).

• Mutations non réparées (immunité, prévention du cancer).

• Développement embryonnaire (ex: formation des doigts).

• Tolérance au soi (immunité).

Il existe trois principaux types de mort cellulaire : l'autophagie excessive, la nécrose et l'apoptose.

B. L'apoptose

L'apoptose est une forme de mort cellulaire programmée. C'est un phénomène actif nécessitant de l'énergie (ATP), qui permet d'éliminer les cellules indésirables ou endommagées.

Contexte de l'apoptose

• Durant la vie embryonnaire (ex: formation des doigts).

• Durant la vie adulte (ex: règles, apoptose des globules blancs en fin d'infection).

• Dysfonctionnements :

  • Par excès : Hépatite virale aiguë, maladies neurodégénératives (Alzheimer, Parkinson).

  • Par défaut : Cancers, résistance à certains traitements (radiothérapie).

Caractéristiques morphologiques et biochimiques de l'apoptose

• Diminution de la taille (rétraction cellulaire).

• Formation de corps apoptotiques qui se détachent de la cellule.

• Fragmentation de l'ADN par des nucléases.

• Clivage des protéines cellulaires, notamment des lamines, menant à la condensation de l'ADN.

• Modification de la position des lipides membranaires (ex: la phosphatidylsérine passe du feuillet interne au feuillet externe de la membrane).

• La membrane cellulaire reste intacte et intègre tout au long du processus.

• Une fois l'apoptose complète, les corps apoptotiques sont digérés par les macrophages (phagocytose).

Déclencheurs de l'apoptose

• Facteurs externes : Radiation, température élevée, molécules oxydantes.

• Activation de récepteurs de mort : Un ligand se fixe sur un récepteur de mort (ex: apoptose de cellules infectées induite par des cellules immunitaires comme les cellules NK).

• Activation/inhibition de gènes pro/anti-apoptotiques :

  • Gènes/protéines pro-apoptotiques : Bax, Fas, APAF-1, Bad.

  • Gènes/protéines anti-apoptotiques : Bcl-2.

Acteurs clés de l'apoptose

• Caspases : Enzymes protéases (cystéines aspartases) qui sont toujours présentes dans la cellule mais activées lors de l'apoptose. Il existe 14 caspases différentes chez les mammifères. Elles activent une nucléase qui clive l'ADN.

• Protéine p53 : Un gène suppresseur de tumeur.

  • Elle est activée en cas de dommages à l'ADN.

  • Elle active l'expression de gènes impliqués dans la réparation de l'ADN, le contrôle du cycle cellulaire et la mort cellulaire.

  • Une mutation de p53 peut entraîner une multiplication anarchique des cellules et ne plus arrêter le cycle ou induire la mort cellulaire, ce qui contribue au développement du cancer.

Méthodes d'observation de l'apoptose

• TUNEL : Marque l'ADN fragmenté (caractéristique de l'apoptose).

• DAPI : Marque le noyau des cellules.

• Western blot : Permet de mette en évidence la présence et l'intensité de protéines spécifiques (ex: caspases activées, protéines pro-apoptotiques).

C. La nécrose

La nécrose est une forme de mort cellulaire accidentelle (pathologique).

Caractéristiques de la nécrose

• Dilatation des cellules.

• Perte d'intégrité de la membrane plasmique.

• Déversement du contenu cytoplasmique dans l'environnement extracellulaire, induisant une réaction inflammatoire.

• C'est un phénomène passif, ne nécessitant pas d'énergie.

Causes de la nécrose

• Infections.

• Manque d'irrigation sanguine et d'oxygène.

• Toxines.

• Traumatismes.

D. L'autophagie

L'autophagie (du grec auto = soi-même et phagie = manger) est un mécanisme physiologique, intracellulaire, de protection et de recyclage d'éléments cellulaires par digestion d'éléments intracellulaires. Ce mécanisme a été récompensé par le prix Nobel de physiologie ou médecine en 2016 (Yoshinori Ohsumi).

Rôle et cibles de l'autophagie

• Mécanisme de digestion de constituants intracellulaires par les lysosomes.

• Rôle de protection et de recyclage : permet de maintenir l'homéostasie cellulaire.

• Cibles : organites indésirables ou endommagés, pathogènes intracellulaires, protéines mal repliées.

• Permet de recycler une partie du cytoplasme pour fournir une source d'énergie et d'acides aminés dans des conditions de stress (hypoxie, manque de nutriments, traitements médicamenteux).

Mécanisme de l'autophagie

1. Formation d'un phagophore qui s'étend pour séquestrer le matériel cytoplasmique à dégrader.

2. Formation de l'autophagosome (vésicule double-membranaire contenant le matériel à digérer).

3. Fusion de l'autophagosome avec un lysosome (riche en enzymes hydrolytiques) pour former l'autophagolysosome.

4. Digestion du contenu de l'autophagosome par les enzymes lysosomales.

Les découvertes de Yoshinori Ohsumi ont permis d'identifier les gènes essentiels à l'autophagie et le rôle des protéines dans la formation de l'autophagosome.

Importance et perturbations

• L'autophagie permet le renouvellement cellulaire et contribue à la longévité en bonne santé.

• Des perturbations de l'autophagie peuvent entraîner diverses maladies :

  • Maladies d'origine génétique, myopathies, maladie de Crohn.

  • Maladies liées à l'âge : Alzheimer, Parkinson, diabète de type 2.

Induction de l'autophagie

Elle est induite par des signaux extérieurs qui déclenchent des transductions de signaux intracellulaires menant à la formation du phagophore.

E. Et chez les procaryotes ?

• Les procaryotes ne peuvent pas rester indéfiniment en phase stationnaire.

• La carence alimentaire ou l'accumulation de produits toxiques peut entraîner une phase de mortalité, avec une diminution exponentielle du nombre de cellules viables.

• La question de la mort cellulaire programmée chez les procaryotes et la notion de "viables mais non cultivables" sont des sujets de recherche actifs.