La Mitose : Division Cellulaire et Contrôle

La mitose est un processus fondamental de division cellulaire qui assure la reproduction des cellules et la croissance des organismes pluricellulaires. Elle permet à une cellule mère diploïde de produire deux cellules filles génétiquement identiques, chacune possédant un jeu complet de chromosomes.

I. Introduction

La mitose, associée à la cytodiérèse (division cytoplasmique), est le mécanisme par lequel de nouvelles cellules diploïdes sont élaborées pour le développement et le remplacement des cellules vieillissantes ou mortes.

Trois types de divisions cellulaires existent chez les eucaryotes :

1. La mitose : division conforme des cellules somatiques.

2. L'amitose : division simple et rare dans les cellules humaines, avec une distribution irrégulière du matériel génétique.

3. La méiose : division spécifique des cellules germinales aboutissant à des cellules haploïdes.

Le cycle cellulaire est la séquence d'événements qu'une cellule traverse entre deux divisions successives. Il comprend l'interphase (croissance et réplication de l'ADN) et la mitose (division nucléaire).

II. Le Chromosome Mitotique

La chromatine est le complexe d'ADN et de protéines (histones et non-histones) qui contient l'information génétique. Pendant la mitose, la chromatine se condense pour former des chromosomes.

Caractéristiques des chromosomes eucaryotes

• Forme de segments linéaires.

• Présents en 2 exemplaires (un d'origine paternelle, un d'origine maternelle) ; 23 paires chez l'Homme (22 autosomes, 2 gonosomes : X et Y).

• Visibilité maximale en métaphase, facilitant leur analyse.

Un chromosome métaphasique est constitué de :

• Deux chromatides-sœurs identiques, accolées sur toute leur longueur.

• Un centromère (constriction primaire) : point d'attache des chromatides-sœurs et site d'assemblage du kinétochore (complexe macromoléculaire guidant la migration des chromosomes).

• Deux bras chromosomiques : le bras court (p) et le bras long (q).

• Les télomères : extrémités terminales des bras.

Classification des chromosomes selon la position du centromère :

III. La Mitose

La mitose est un phénomène continu, mais elle est divisée en cinq stades distincts : prophase, prométaphase, métaphase, anaphase et télophase. Elle vise à séparer et distribuer avec précision les chromosomes, de sorte que chaque cellule fille reçoive une copie identique du génome parental.

III.1. Prophase

III.1.1. Modifications nucléaires

• Condensation de la chromatine par les condensines, sous l'action du complexe Cycline-Cdk de la phase M.

• Les chromatides sœurs sont maintenues ensemble par les cohésines.

III.1.2. Modifications cytoplasmiques

• Assemblage du fuseau mitotique autour des centrosomes (chaque centrosome contient deux centrioles).

• Le centrosome se dédouble et les deux centrosomes migrent vers les pôles opposés de la cellule.

III.2. Prométaphase

• Désassemblage de l'enveloppe nucléaire par phosphorylation de la lamina nucléaire par la M-Cdk, dispersant l'enveloppe en vésicules.

• Les microtubules du fuseau mitotique pénètrent dans la région nucléaire et capturent les chromosomes au niveau des kinétochores.

• Les chromosomes migrent vers le pôle de la cellule correspondant au microtubule capturé.

III.3. Métaphase

• Alignement des chromosomes sur le plan équatorial (plaque équatoriale), à égale distance des deux pôles du fuseau.

• La fixation des microtubules aux kinétochores se fait initialement de manière unipolaire, puis devient bipolaire avec l'attachement des microtubules du pôle opposé au kinétochore de l'autre chromatide-sœur, assurant l'équilibre.

III.4. Anaphase

L'anaphase ne débute que si tous les chromosomes sont correctement alignés sur la plaque équatoriale et que leurs kinétochores sont correctement attachés aux microtubules (point de contrôle essentiel).

• Séparation des chromatides-sœurs : les cohésines sont dissociées au niveau du centromère.

• Les chromatides, devenues chromosomes individuels, migrent vers les pôles opposés.

• Mécanisme en deux phases :

  1. Anaphase A : Raccourcissement des microtubules kinétochoriens et migration des chromosomes fils vers les pôles. Les forces sont principalement exercées au niveau du kinétochore.

  2. Anaphase B : Séparation et éloignement des pôles eux-mêmes. Allongement des microtubules chevauchants et action de forces de traction sur les pôles.

III.5. Télophase

• Reconstitution de l'enveloppe nucléaire autour des deux paquets de chromosomes à chaque pôle.

• Décondensation des chromatides dans le nouveau noyau, retour à l'état de chromatine diffuse.

• Disparition des microtubules kinétochoriens et désassemblage des kinétochores.

IV. Cytodiérèse (Cytocinèse)

La cytodiérèse suit la mitose et correspond à la division du cytoplasme, qui assure que chaque cellule-fille hérite d'un stock complet d'organites.

IV.1. Action des filaments d'actine et myosine

• Apparition d'un sillon de clivage à la surface cellulaire, au niveau du fuseau central.

• Formation d'un anneau contractile composé de microfilaments d'actine et de myosine sous la surface du sillon.

• Cet anneau s'étrangle progressivement, pinçant la cellule jusqu'à sa division en deux cellules-filles distinctes.

• Le "corps central" ou "corps intermédiaire", résidu de l'anneau contractile, forme un pont cytoplasmique fin entre les deux cellules filles avant leur séparation complète.

V. Système de Contrôle de la Mitose

La progression à travers les phases de la mitose est strictement régulée par un système de contrôle, principalement basé sur l'activation de protéines-kinases cycline-dépendantes (Cdk) dont l'activité est modulée par les cyclines.

V.1. L'entrée en mitose

• Activation de la Cdc25 par phosphorylation (par Polo-kinase et Cycline-Cdk).

• Phosphorylation des cohésines (sauf au centromère) pour l'individualisation des chromatides.

• Inhibition de la Wee1 par la Cycline-Cdk, augmentant son activité.

• L'association de la Cdk1 avec la cycline B (formant le Complexe Cycline B-Cdk1) est cruciale et son activité est régulée par phosphorylation et déphosphorylation.

V.2. Contrôle prophase-métaphase

• Le complexe Cycline-Cdk déclenche des événements nucléaires et cytoplasmiques par phosphorylation/déphosphorylation de protéines clés.

V.3. Contrôle de la transition métaphase-anaphase

• Intervention du Complexe Promoteur de l'Anaphase (APC), activé par la Cdc20.

• L'APC cible la sécurine.

• Avant l'anaphase, la sécurine inhibe la séparase.

• À la fin de la métaphase, la destruction de la sécurine par l'APC libère la séparase, qui clive les sous-unités des cohésines, permettant la séparation des chromatides sœurs.

V.4. Contrôle de l'anaphase

• Point de contrôle dépend d'un mécanisme de capteurs surveillant la fixation des kinétochores au fuseau mitotique.

• Un kinétochore non correctement fixé envoie un signal négatif : liaison de Mad2, qui inhibe l'activité du complexe Cdc20-APC.

• Tant que tous les kinétochores ne sont pas fixés, la destruction de la sécurine (et donc la séparation des chromatides) est bloquée.

V.5. Contrôle de la sortie de mitose

• Inversion des modifications du début de la mitose : désassemblage du fuseau, décondensation des chromosomes, reformation de l'enveloppe nucléaire.

Conclusion

La mitose est un processus complexe et hautement régulé, essentiel pour la vie. Elle est orchestrée par diverses familles de protéines, notamment les cyclines, les Cdk (kinases cycline-dépendantes) et des protéines inhibitrices. Ces mécanismes garantissent la fidélité de la réplication et de la distribution du matériel génétique, assurant ainsi l'intégrité de l'organisme.

La Mitose : Division Cellulaire et Contrôle

I. Introduction

Définition

Cycle Cellulaire

• l'interphase : période de croissance et de synthèse de l'ADN.
• la mitose : phase de division cellulaire.

Typologie des Divisions Cellulaires Eucaryotes

• l'amitose : division simple et irrégulière, rare chez l'homme.
• la méiose : division réductionnelle produisant des gamètes haploïdes.

II. Le Chromosome Mitotique

Caractéristiques des Chromosomes Eucaryotes

• Les chromosomes sont des segments linéaires subissant d'importantes variations morphologiques au cours du cycle cellulaire.
• Chez l'Homme, il existe 23 paires de chromosomes (22 autosomes et 2 gonosomes - X et Y), soit un total de 46 chromosomes.
• La visibilité maximale des chromosomes est atteinte en métaphase, étape où ils sont le plus facile à analyser.

Structure d'un Chromosome Métaphasique

Un chromosome en métaphase est constitué de :

• Deux chromatides-sœurs identiques : deux sous-unités étroitement accolées sur toute leur longueur, issues de la réplication de l'ADN.
• Un centromère (constriction primaire) : point d'attachement des chromatides-sœurs. Il est essentiel pour la ségrégation correcte des chromosomes et sert de site d'assemblage au kinétochore.
• Un kinétochore : complexe macromoléculaire qui guide la migration des chromosomes en se liant aux microtubules du fuseau mitotique.
• Deux bras chromosomiques : le bras court (noté p) et le bras long (noté q), délimités par le centromère.
• Des télomères : extrémités terminales des bras chromosomiques, protégeant l'intégrité de l'ADN.

Classification des Chromosomes selon la Position du Centromère

III. Mitose

III.1. Prophase

III.1.1. Modifications Nucléaires

• Condensation de la chromatine : La chromatine se condense en chromosomes visibles. Ce processus est initié et maintenu par des protéines appelées condensines et cohésines.
• Le complexe Cycline-Cdk (kinases cycline-dépendantes) de la phase M phosphoryle des sous-unités de condensines, activant l'assemblage des complexes de condensines sur l'ADN.
• Les chromatides sœurs sont initialement maintenues accolées sur toute leur longueur par les cohésines, sauf au niveau du centromère.

III.1.2. Modifications Cytoplasmiques

• Assemblage du fuseau mitotique : Le fuseau mitotique s'organise autour du centre organisateur des microtubules (MTOC), le centrosome.
• Au début de la prophase, le centrosome se dédouble. Les deux centrosomes, chacun contenant deux centrioles, s'éloignent progressivement l'un de l'autre pour migrer vers les pôles opposés de la cellule.

III.2. Prométaphase

III.2.1. Modifications Nucléaires (désassemblage de l'enveloppe nucléaire)

• L'enveloppe nucléaire se fragmente complètement et se disperse dans le cytoplasme sous forme de vésicules. Ce phénomène est lié à la phosphorylation de la lamina nucléaire par la M-Cdk.
• Les microtubules polaires (ceux qui ne sont pas en contact avec les chromosomes) peuvent alors pénétrer dans la région nucléaire.

III.2.2. Modifications Cytoplasmiques (fixation des chromosomes aux microtubules)

• La fragmentation de l'enveloppe nucléaire permet aux microtubules de capturer aléatoirement les chromosomes et de s'y fixer au niveau des kinétochores par leur extrémité.
• D'autres microtubules sont capturés par le même kinétochore, ce qui accentue le mouvement du chromosome vers un pôle.
• Initialement, la fixation peut être latérale, puis elle se transforme en fixation unipolaire bout à bout.
• Ensuite, le kinétochore libre capture des microtubules du pôle opposé pour établir une fixation bipolaire, ce qui ramène le chromosome vers le plan équatorial.

III.3. Métaphase

• Alignement des chromosomes : Les chromosomes s'alignent sur la plaque équatoriale, à égale distance des deux pôles du fuseau mitotique.
• Chaque chromosome est attaché aux microtubules kinétochoriens provenant des deux pôles opposés.

III.4. Anaphase

III.4.1. Anaphase A

• Séparation des chromatides sœurs : Les cohésines sont dégradées, permettant la séparation des chromatides sœurs au niveau de leurs centromères.
• Raccourcissement des fibres kinétochoriennes : Les microtubules kinétochoriens se raccourcissent, tirant les chromatides individuelles (devenues des chromosomes fils) vers les pôles opposés de la cellule.

III.4.2. Anaphase B

• Éloignement des pôles du fuseau : Les pôles de la cellule s'éloignent les uns des autres.
• Allongement des microtubules chevauchants : Les microtubules polaires chevauchants s'allongent et glissent les uns par rapport aux autres, repoussant ainsi les pôles du fuseau.
• Des forces de traction agissent directement sur les pôles pour les séparer.

III.5. Télophase

• Reconstitution de l'enveloppe nucléaire : Une nouvelle enveloppe nucléaire se forme autour de chaque ensemble de chromosomes fils à chaque pôle, créant deux noyaux interphasiques distincts.
• Décondensation des chromosomes : Les chromosomes se décondensent, retrouvant leur état de chromatine diffuse.
• Disparition des microtubules kinétochoriens et désassemblage des kinétochores.

IV. Cytodiérèse

IV.1. Mécanisme de Sillon de Clivage

• Apparition d'un sillon de clivage à la surface cellulaire, au niveau de l'ancien plan équatorial de la plaque métaphasique.
• Ce sillon est le résultat de la formation d'un anneau contractile situé juste sous la membrane plasmique.
• L'anneau contractile est composé de microfilaments (actine) et de myosine. L'interaction entre l'actine et la myosine entraîne la constriction progressive de la cellule.
• Le rétrécissement de la membrane plasmique du sillon de clivage continue jusqu'à la séparation complète des deux cellules filles.
• Le point de jonction résiduel entre les deux cellules peut former un corps intermédiaire ou corps central, un fin pont cytoplasmique qui finit par rompre.

V. Système de Contrôle de la Mitose

V.1. L'Entrée en Mitose

• La Cdk1 s'associe avec la Cycline B lorsque la concentration de cycline augmente progressivement.
• L'activation de la Cdc25 est cruciale :
  • La Cdc25 est phosphorylée par la Polo-kinase, ce qui active la Cdc25.
  • La Cdc25 activée déphosphoryle Cdk1/Cycline B, permettant son activation. Le complexe Cycline-Cdk activé supprime l'activité de la Wee1 (qui inhibe Cdk1), augmentant brutalement l'activité de Cycline-Cdk.
  • La phosphorylation des cohésines par les Polo-kinases contribue également à l'individualisation des chromatides, sauf au niveau du centromère.

V.2. Contrôle Prophase-Métaphase

V.3. Contrôle de la Transition Métaphase-Anaphase (Point de contrôle du fuseau)

• Intervention du Complexe de Promotion de l'Anaphase (APC), activé par Cdc20.
• L'APC cible la sécurine pour sa destruction. Avant l'anaphase, la sécurine se lie à la séparase et l'inhibe.
• La destruction de la sécurine par l'APC libère la séparase.
• La séparase active clive une des sous-unités du complexe des cohésines, permettant la séparation des chromatides sœurs.

V.4. Contrôle de l'Anaphase

• Des capteurs surveillent l'état d'attachement des kinétochores.
• Tout kinétochore non correctement fixé envoie un signal négatif, entraînant la liaison de la protéine Mad2 (et d'autres protéines du point de contrôle du fuseau).
• Mad2 inhibe l'activité du complexe Cdc20-APC.
• En conséquence, la destruction de la sécurine est bloquée, empêchant la libération de la séparase et la séparation des chromatides sœurs. La mitose est alors temporairement arrêtée jusqu'à la correction de tout défaut d'attachement.

V.5. Contrôle de la Sortie de Mitose

• Le fuseau mitotique doit se désassembler.
• Les chromosomes doivent se décondenser.
• L'enveloppe nucléaire doit se reformer.
• Ces événements sont initiés par la désactivation de M-Cdk, principalement par la dégradation de la Cycline B par l'APC.

Conclusion

Fiche d'aide : La Mitose

La mitose est un processus fondamental de division cellulaire pour la croissance et le renouvellement des organismes.

Définitions Clés

• Mitose : Division nucléaire résultant en deux cellules filles génétiquement identiques à la cellule mère.
• Cytocinèse : Division du cytoplasme.
• Cycle Cellulaire : Ensemble des étapes d'une cellule entre deux divisions, incluant l'interphase et la mitose.
• Chromatine : ADN associé à des protéines, forme diffuse du matériel génétique pendant l'interphase.
• Chromosome : Forme condensée de la chromatine, visible pendant la mitose.

Le Chromosome Mitotique

• Dans les cellules eucaryotes, les chromosomes sont linéaires.
• Chaque chromosome a deux exemplaires (paternel et maternel) et est composé de :
  • Deux chromatides-sœurs identiques : Accolées sur toute leur longueur.
  • Centromère : Constriction primaire, point d'attache des chromatides-sœurs et du kinétochore.
  • Kinétochore : Complexe guidant la migration des chromosomes.
  • Bras : p (court) et q (long), délimités par le centromère.
  • Télomères : Extrémités terminales des bras.
• Visibilité maximale : Métaphase.
• Types selon la position du centromère :
  • Métacentrique : Bras de tailles proches (p=q).
  • Submétacentrique : Bras court (p) nettement plus petit que le long (q).
  • Acrocentrique : Centromère très distal, bras courts très réduits, souvent avec des satellites (ex: ch. 13, 14, 15, 21, 22).

Les Phases de la Mitose

La mitose est un phénomène continu, souvent décrit en cinq stades :

1. Prophase

• Modifications nucléaires :
  • Condensation de la chromatine en chromosomes (par les condensines).
  • Les chromatides sœurs sont maintenues par des cohésines.
• Modifications cytoplasmiques :
  • Assemblage du fuseau mitotique autour des deux centrosomes.
  • Les centrosomes s'éloignent vers les pôles.

2. Prométaphase

• Désassemblage de l'enveloppe nucléaire (se fragmente en vésicules).
• Les microtubules pénètrent dans la région nucléaire et capturent les chromosomes.
• Fixation des chromosomes aux microtubules via les kinétochore.
• La fixation passe d'unipolaire à bipolaire pour équilibrer la position du chromosome.

3. Métaphase

• Alignement des chromosomes sur la plaque équatoriale (à égale distance des deux pôles).
• Fixation bipolaire de microtubules kinétochoriens à chaque chromatide sœur.

4. Anaphase

Déclenchée seulement si tous les chromosomes sont correctement alignés.

• Anaphase A :
  • Séparation des chromatides sœurs par la dislocation des cohésines.
  • Raccourcissement des microtubules kinétochoriens.
  • Migration des chromatides (maintenant appelées chromosomes fils) vers les pôles.
• Anaphase B :
  • Séparation des pôles eux-mêmes.
  • Allongement des microtubules chevauchants (qui repoussent les pôles).

5. Télophase

• Reconstitution de l'enveloppe nucléaire autour de chaque lot de chromosomes fils.
• Décondensation des chromosomes en chromatine diffuse.
• Disparition des microtubules kinétochoriens et désassemblage des kinétochores.

La Cytodiérèse (Cytocinèse)

• Division du cytoplasme, souvent simultanée avec la télophase.
• Apparition d'un sillon de clivage à la surface cellulaire.
• Formation d'un anneau contractile sous le sillon (actine et myosine).
• L'anneau étrangle progressivement la cellule jusqu'à la formation de deux cellules-filles distinctes, chacune recevant un stock complet d'organites.

Système de Contrôle de la Mitose

La mitose est étroitement régulée par une série de points de contrôle assurant la précision de la division.

V.1. L'entrée en mitose

• Activation des Kinases Cycline-Dépendantes (Cdk), notamment le complexe Cycline B-Cdk1 (souvent appelé M-Cdk).
• Phosphorylation de la Cdc25 (par Polo-kinase et Cycline-Cdk).
• Phosphorylation des cohésines (sauf au centromère), permettant l'individualisation des chromatides.
• Inhibition de Wee1 (inhibiteur de Cdk), augmentant l'activité du complexe Cycline-Cdk.

V.2. Contrôle Prophase-Métaphase

• Le complexe Cycline-Cdk phosphoryle des protéines structurelles et régulatrices, coordonnant les événements nucléaires et cytoplasmiques.

V.3. Contrôle Transition Métaphase-Anaphase

• Intervention du Complexe Promoteur de l'Anaphase (APC), activé par Cdc20.
• L'APC cible la sécurine pour sa destruction.
• La destruction de la sécurine libère la séparase, qui clive les cohésines (sauf au centromère au début), permettant la séparation des chromatides sœurs.
Le point de contrôle est au niveau de l'alignement de tous les chromosomes.

V.4. Contrôle Anaphase

• Un mécanisme de capteurs surveille la fixation des kinétochores sur le fuseau mitotique.
• Un kinétochore non fixé envoie un signal négatif (par ex., liaison de Mad2).
• Ce signal inhibe le complexe Cdc20-APC, empêchant la destruction de la sécurine et donc la séparation des chromatides sœurs tant que tous les kinétochores ne sont pas correctement attachés.

V.5. Contrôle de la Sortie de Mitose

• Inverse les modifications du début de la mitose : désassemblage du fuseau, décondensation des chromosomes, reformation de l'enveloppe nucléaire.

Conclusion

La mitose, couplée à la cytodiérèse, assure la reproduction fidèle des cellules somatiques. Elle est indispensable au développement, à la croissance et au renouvellement tissulaire, sous le contrôle strict de protéines régulatrices.