Mitose et Cycle Cellulaire

Mitose et Cycle Cellulaire
Mitose
La mitose traduit la séparation exacte de tout le matériel génétique de la cellule en deux
parties égales.
Dans une cellule en interphase, on ne voit rien. On voit quelque chose lors de la compaction
de la chromatine et de la mise en place des fuseaux mitotiques de microtubules.
La mitose est divisée en différentes phases :
 Prophase
- début de condensation des chromosomes --> phosphorylation des histones
- les chromosomes ont été dupliqués : les 2 chromatides sont accrochées par un centromère
- les centrioles sont dupliqués et se dirigent dans une direction diamétralement opposée pour
obtenir une symétrie bilatérale : deux pôles
- début de la formation du fuseau mitotique à partir des centrioles
- la membrane nucléaire est toujours en place
 Prométaphase
- phase la + longue
- mouvement important des chromosomes
- rupture de la membrane nucléaire --> phosphorylation des lamines
- les chromosomes se dispersent dans le volume de la cellule
- les chromosomes s’accrochent aléatoirement à des microtubules au niveau de leurs
kinétochores, placés latéralement par rapport au centromère central
- les microtubules forment le fuseau mitotique
 Métaphase
- phase la + courte.
- les chromosomes migrent pour se placer dans un plan médian (=plaque métaphasique ou
équatoriale) perpendiculaire par rapport au grand axe du fuseau mitotique.
 Anaphase
Deux phénomènes simultanés pour aboutir à la ségrégation complète des deux lots de
chromatides vers un des pôles du fuseau grâce aux protéines motrices existant dans le
cytosol : kinésine et dynéine.
--> Anaphase A :
- libération importante d’ions calcium dans le cytosol --> dissociation des centromères et
séparation des chromatides
- les fibres kinétochoriales du fuseau sont constituées de tubulines qui se polymérisent et
dépolymérisent constamment. Elles permettent de réguler la vitesse de migration : si la
concentration de calcium augmente, la vitesse de dépolymérisation diminue et on observe un
raccourcissement des microtubules --> traction des chromatides vers les pôles.
--> Anaphase B :
- allongement important des autres fibres du fuseau mitotique (les fibres polaires) ce qui
éloigne les 2 pôles au maximum. Les 2 lots de chromatides sont donc très séparés.
 Télophase
- décondensation progressive de la chromatine --> déphosphorylation des histones
- reconstitution de la membrane nucléaire --> déphosphorylation des lamines (sous la mb
nucléaire et phosphorylées lors de la prophase).
 Cytodiérèse
- matérialisation de la fin de la mitose : on obtient 2 cellules filles génétiquement identiques à
la cellule mère.
- au niveau de la plaque métaphasique, pincement du cytoplasme jusqu’à rencontrer les fibres
subsistantes du fuseau mitotique, à l’aide d’un anneau contractile (actine)
Les organites intracellulaires se répartissent au hasard, de manière à peu près égale, mais
sans soucis d’équité parfaite.
Au contraire, il y a une répartition parfaitement exacte du matériel génétique.
Cycle Cellulaire
Le cycle cellulaire correspond à l’espace-temps nécessaire pour aller d’une mitose à une
autre.
La mitose est le point culminant du cycle cellulaire, la chromatine est condensée -->
inactivation génique.
Au contraire, lors de l’interphase ont lieu des évènements biochimiques et structuraux, les
gènes sont accessibles --> synthèses pour préparer la mitose.
Il existe un processus de régulation pour le sens du cycle cellulaire et le nombre d’étapes.
- Pool prolifératif : ensemble des cellules qui parcourent activement le cycle cellulaire
- Pool non prolifératif (phase Go) : cellules qui vont mourir (apoptose) ou cellules
hyperspécialisées qui ne se diviseront plus et arrêtent le cycle cellulaire
 Les différentes phases
--> Phase S :
- duplication de l’ADN et du génome
- synthèses de quelques protéines : les histones.
Entre les mitose et la phase S --> insertion d’intervalles (des Gap) : phases G1 et G2.
--> Phase G1 :
- avant la phase S de duplication.
- grande phase de biosynthèse et de transcription de l’ADN en ARN.
- dans le cytoplasme, synthèse importante de protéines nécessaires à la réplication (enzymes ;
ex : ADN polymérases) et la préparation de la mitose (protéines du cytosquelette ; ex :
tubuline, kinésine, dynéine)
--> Phase G2 :
- après la phase S de duplication
- préparation à la mitose
- début de la condensation de la chromatine
- baisse de la transcription et de la synthèse protéique.
- augmentation du volume cellulaire
- augmentation de la taille des organites intra-cytoplasmiques
 ADN et histones
--> noyau interphasique
Une molécule d’ADN = un chromosome = 50 à 250.106 paires de NT = +/- 5cm de long
Donc dans le noyau, 46 chromosomes --> 2m de long dans un noyau de quelques microns de
diamètre. Par conséquent, la molécule d’ADN n’est jamais complètement dépliée même sous
forme de chromatine (=ADN + histones)
1 chromosome métaphasique = 10 m --> condensation d’environ 5000 fois grâce aux
protéines d’empaquetage : les histones.
--> chromatine interphasique
C’est une succession de nucléosomes : ADN enroulé autour d’un complexe protéique
d’histones --> 2 tours et demi autour du cœur protéique
Nucléosome = octamère d’histones
- deux dimères (H2A–H2B)
- un tétramère (H3–H3–H4–H4)
Les nucléosomes sont séparés les uns des autres par de l’ADN non enroulé internucléosomal
porteur de l’histone H1.
Les histones sont des protéines très basiques (riches en Lys et Arg) et acétylées. L’état
d’acétylation rend compte de l’accessibilité de l’ADN.
Plus la chromatine est hyperacétylée, plus les histones sont éloignés, et plus les gènes sont
accessibles, ce qui permet la transcription.
Les histones sont synthétisés au moment de la phase S, en même temps que la duplication :
la synthèse des histones et de l’ADN sont synchronisés.
 Protéines nucléaires
--> protéines histones
Nucléosome : H2A, H2B, H3 et H4
H1 lié à l’ADN internucléosomal
--> protéines histones
Les protéines non histones sont majoritairement des enzymes :
- topoisomérase II (phosphoryle H1)
- condensine (phosphoryle H3)
- cohésine
- protéines centromériques
- Aurora B
- INCENP : protéine interne du centromère, appartient aux kinésines
- survivine : rôle dans l’apoptose
- protéines motrices
- kinésines
- dynéines
Les protéines de maintenance strucurale (protéines SMC) appartiennent aux protéines non
histones et aident à la compaction de la chromatine, en plus des histones (ex : condensine et
cohésine).
Avant la condensation, action d’une protéine SMC pour démêler la chromatine, puis :
- action de la topoisomérase II, enzyme qui phosphoryle les histones H1 pour rapprocher les
nucléosomes les uns des autres.
- action de la condensine, SMC qui renforce la compaction de la chromatine en phosphorylant
d’autres protéines (ex : active la topoisomérase II)
La phosphorylation des histones s’enchaîne en cascades de réactions.
La topoisomérase II est active pendant tout le cycle cellulaire alors que la condensine
apparaît en fin de prophase et disparaît en fin d’anaphase. Elles ont la même localisation
axiale sur les chromatides sœurs.
 Centromère et kinétochore
Le chromosome est constitué de deux chromatides unies par un centromère (fraction
d’ADN hautement répétitive d’environ 170 NT, spécifique de chaque chromosome).
Le centromère est une zone d’accrochage du chromosome à la matrice nucléaire et qui
accroche les protéines non histones spécifiques (ex : topoisomérase II).
Le kinétochore est associé au centromère, c’est un complexe protéique trilamellaire
(Aurora B, INCENP et survivine) qui joue un rôle dans l’accolement et la dissociation des
chromatides, lors de la métaphase.
Son existence est temporaire, de la fin de la prophase jusqu’à la métaphase.
Les protéines kinétochoriales permettent :
- phosphorylation des histones (H3)
- compaction de la chromatine
- capture des extrémités positives des MT, grâce à la dynéine et aux protéines internes du
centromère l’extrémité négative des MT s’accroche au niveau des asters). Un kinétochore
capture de 20 à 40 MT.
- ségrégation des chromatides
Lors de l’anaphase, les chromatides glissent le long des fibres fusoriales en étant
entraînées par les protéines motrices (dynéine et kinésine).
Les deux chromatides sont fermement unies l’une à l’autre par la cohésine qui les maintient
cohésives pour qu’elles ne se séparent pas trop tôt. Cette ségrégation est sous la dépendance
de la formation correcte du fuseau et de la bonne disposition des fibres fusoriales.
 Fuseau mitotique
Dans un noyau interphasique, le centrosome (=2 centrioles perpendiculaires) se duplique
pour donner deux asters migrant aux deux pôles diamétralement opposés.
Autour des centrosomes, les MT sont plus ou moins stables et donnent 3 types de fibres :
- MT astériens
- MT kinétochoriens
- MT polaires
La capture des fibres kinétochoriales par les chromosomes est difficile à réaliser, ce qui
explique la longueur de la prométaphase.
Les accrochages incorrects ou inadéquats doivent être défaits puis refaits. Il existe un
point de contrôle qui entraîne l’arrêt de la mitose jusqu’à ce que les chromosomes aient un
accrochage parfait, amphitélique (chaque masse kinétochoriale est accrochée à chaque
chromatide sœur qui a capté un MT associé à chaque aster. La mitose peut alors reprendre.
L’accrochage a lieu grâce aux protéines non histones : Aurora B coopère avec l’INCENP
pour favoriser l’accrochage, tandis que la cohésine unit les 2 chromatides sur toute leur
longueur.
 Point de surveillance métaphase – anaphase
La cohésine unit les 2 chromatides sur toute leur longueur depuis la réplication jusqu’à la
métaphase/anaphase où les deux lots de chromatides se séparent.
Prophase et métaphase --> élimination de toutes les molécules de cohésine qui unissent les
chromatides, sauf au niveau du centromère.
Transition métaphase/anaphase --> activation de l’APC (Complexe Promoteur de l’Anaphase)
pour dissocier la cohésine et séparer les chromatides au niveau des centromères.
L’APC permet indirectement la migration des chromatides : ligase qui lie l’ubiquitine à la
sécurine qui était associée à la séparase.
Puis, la sécurine ubiquitinylée est éliminée par la voir du protéasome.
L’APC est sous le contrôle du gène CDC-20.
Métaphase :
- la cohésine lie les deux chromatides
- la séparase permet de séparer les deux chromatides en lisant la cohésine
- la séparase est bloquée par la sécurine
A la transition :
- activation de la ligase APC
- APC lie de l’ubiquitine à la sécurine
- changement de conformation de la sécurine --> activation de la séparase
- dissociation de la cohésine --> séparation des deux chromatides
 Déroulement du cycle cellulaire
Le cycle cellulaire est variable selon les cellules.
- cycles brefs : alternance de phases M et S sans phases G
- cellules embryonnaires : cellule œuf et cellules de la segmentation
- permet d’obtenir beaucoup de cellules rapidement
- quand les processus de différenciation cellulaire interviennent, les phases G s’intercalent
- cycles longs : introduction des phases G
- distribution bimodale d’une population cellulaire, en fonction du contenu en ADN des cellules.
nb de
cellules
G1
S
G2/M
quantité d’ADN
1
2
Si on admet que toutes les cellules parcourent le cycle à vitesse uniforme, le nombre de
cellules dans une phase donne une idée sur sa longueur.
On observe davantage de cellules en G1, elle est donc plus longue.
La mitose représente environ 10% de la durée totale du cycle cellulaire.
--> Quelles cellules se divisent ?
Cellules mitotiques : cellules qui se divisent et font partie du pool prolifératif
- cellules épithéliales
- cellules conjonctives
- précurseurs sanguins
- précurseurs des gamètes
--> Quelles cellules ne se divisent pas ou plus ?
Cellules post-mitotiques (souvent très différenciées) :
- obligatoires : neurones, cellules musculaires et cellules plurinucléées
- facultatives : quelques cellules glandulaires
--> A quelle vitesse ?
Embryon : très rapide ( 8-10 min )
- cellules de l’œuf : pas de phases G1 et G2.
- lors de la différenciation embryonnaire : augmentation progressive jusqu’à la
transition mid-blastuléenne.
- cellules différenciées : dépend de la durée de G1 et G2 (comme G1 est long, il a le
plus de risque de varier ; au contraire, S est +/- constante : 80min)
Cellules tumorales :
- lentement et indéfiniment
- non régulées et échappent à l’apoptose
- prolifèrent jusqu’à constituer des tumeurs
G1 est la phase la plus longue et la plus variable. Pendant la phase G1, la cellule est sensible
aux influences et aux informations de l’environnement extérieur à la cellule ou à l’organisme.
Exemples :
- les stéroïdes sexuels stimulent la prolifération cellulaire des cellules de la paroi utérine,
en accélérant leur cycle.
- en cas de blessure épithéliale, on observe une accélération locale du cycle cellulaire pour
permettre la cicatrisation.
- les hépatocytes sont des cellules post-mitotiques fréquemment en phase G0 qui se
divisent rarement. Si on enlève une partie du foie, on observe un phénomène de
régénérescence en 2 ou 3 semaines par reprise d’un cycle cellulaire rapide.
Toutefois, après le point R, les cellules deviennent complètement imperméables aux
informations extérieures.
--> durée de vie des cellules
La durée de vie des cellules est régulée par l’horloge mitotique : une cellule donnée peut
subir un certain nombre de mitoses puis, si elles sont hyperspécialisées, elles passent en G0,
sinon elles entrent en apoptose.
A l’extrémité de chaque chromosome métaphasique, on observe un télomère constitué de
séquences répétitives d’hexanucléotides : TTAGGG
Au niveau du télomère :
- pas de recombinaison illégale possible
- pas de duplication possible ! L’ADN polymérase est incapable d’agir
A chaque interphase préparatrice de la mitose, un hexanucléotide ne peut pas être
dupliqué. L’ADN se raccourcit donc à chaque mitose, puis atteint la limite de Hayflick, qui est
la longueur seuil de la molécule d’ADN en dessous de laquelle l’ADN ne peut plus se diviser.
La télomérase est capable de raccrocher des hexanucléotides à l’extrémité 3’ du télomère
pour compenser ceux perdus à chaque mitose.
Cellules saines : télomérase inactive, permet à l’horloge mitotique de fonctionner
Cellules embryonnaires : télomérase active car besoin de beaucoup de cellules et de
mitoses successives pour aboutir à la constitution d’un organisme
Cellules tumorales ou immortalisée : télomérase active
 Régulation du cycle cellulaire
La régulation du cycle cellulaire s’effectue grâce à un certain nombre de protéines de
contrôle, oscillatoire entre accumulation des cyclines et activation des cdk phosphorylantes
(kinases dépendantes des cyclines).
Il existe 3 points de contrôles, régulés par des cyclines :
- point R (=Restriction), au 3/4 de la phase G1 : régule l’entrée en phase S
- point en fin de G2 : régule l’entrée en mitose
- point en transition Métaphase/Anaphase : régule la sortie de mitose
--> Les cyclines
Ce sont des protéines produites par les gènes cdc (cycle de division cellulaire). Elles sont
synthétisées dès la fécondation à partir d’ARNm d’origine maternelle.
Pendant les premières phases de la vie embryonnaire, elles sont produites de manière
constante et à un taux élevé pour s’installer en grande quantité dans le cytoplasme des
premiers blastomères.
Puis, progressivement, leur taux diminue, et dans l’embryon plus âgé, les cyclines acquièrent
une production cyclique (comme dans l’organisme adulte).
Synthétisées à un moment particulier du cycle, elles s’accumulent, activent les cdk
correspondantes et forment des complexes cycline-cdk.
Lorsqu’elles ont agi, les cyclines sont détruites, rendant les kinases inopérantes.
Les cdk sont synthétisées dans le noyau et appartiennent à la famille des sérinesthréonine-kinases : les cyclines doivent passer dans le noyau pour les trouver et les activent
par phosphorylation sur des sites sérine et thréonine.
G1 : - au 3/4, les cellules sont toujours réceptives aux influences extérieures --> régulation
par les complexes cdk4 et 6-cycline D principalement.
- après le point R, les cellules deviennent imperméables aux influences --> régulation
par le complexe cdk2-cycline E.
- Une fois passé le point R, la cellule est obligatoirement entraînée dans la suite du
cycle cellulaire (quand la cellule ne passe pas par le point R, elle rentre en G0).
--> permet l’entrée en phase S
L’entrée en mitose est régulée par la MPF : complexe cdk1-cycline B, promoteur de la
mitose.
La sortie de mitose se fait lors de la dissociation du MPF.
--> Entrée et sortie de mitose : complexe MPF
Cycline B
Cdk1
MPF inactif
CAK
Wee 1
APC
MPF actif
CAK : Cdk Activating Kinase
phosphoryle le complexe MPF au site Thréonine 161
le complexe devrait être actif, mais Wee 1 hyperphosphoryle le complexe et l’inhibe
Wee1 : kinase
hyperphosphoryle MPF sur les sites Thréonine 14 et Tyrosine 15
la double phosphorylation bloque le complexe MPF
--> facteur retardateur de la mitose.
L’inhibition est ensuite levée grâce au contrôle de la bonne duplication de l’ADN. Tant que
l’ADN n’est pas parfaitement dupliqué, inhibition par Wee 1.
Quand la duplication de l’ADN est complète, il y a levée de l’inhibition : Wee1 active une
phosphatase déphosphorylante : la cdc 25 qui supprime les deux radicaux sur les sites
inhibiteurs.
--> début de la mitose
Puis, accrochage des fuseaux mitotiques sur les kinétochores. Quand tous les accrochages
sont amphitéliques, activation des promoteurs de l’anaphase, destruction des cohésines et
séparation des chromatides.
En simultanée, dégradation brutale de la cycline B grâce à une autre APC que celle mise en
jeu pour la cohésine.
Le complexe MPF est dissocié.
--> fin de la mitose
Point de contrôle multigénique :
- mise en jeu du complexe APC-cohésine
- mise en jeu de la MPF
Les anomalies entraînent une instabilité génétique : l’aneuploïdie (anomalie par malségrégation des chromatides)
Si la réplication a lieu mais que la cellule ne peut pas entrer en mitose : suicide de la cellule
par apoptose.
--> Franchissement du point R
Il existe un certain nombre de signaux qui permettent de franchir le point R et de finir la
phase G1.
Si ces signaux extracellulaires ne sont pas en accord avec la croissance cellulaire (l’état
dans lequel se trouve la cellule), elle ne franchira pas le point R. Elle passe en phase G0.
Il existe plusieurs signaux :
La protéine du rétinoblastome pRb :
C’est une protéine inhibitrice.
Elle force la cellule à ralentir sa progression dans le cycle (dans la phase G1) par nécessité.
Avant le point R, cette protéine est sous un état hypophosphorylé. Sous cet état, pRb
séquestre les protéines E2F (facteurs de transcription de l’ADN). Etant séquestrées, il ne
peut y avoir transcription de l’ADN et donc pas de traduction en protéines, notamment les
cyclines.
--> le cycle ne peut plus progresser
La phosphorylation progressive de la pRb est initiée par les complexes cdk 4/6-cycline D. Il
y a alors activation de pRb par hyperphosphorylation, ce qui entraîne un changement de
conformation --> détache E2F. Les E2F vont alors pouvoir se fixer sur l’ADN au niveau de
promoteurs de gènes.
E2F
P
pRb
cdk
P
P
La protéine p53 :
C’est la gardienne du génome.
Elle est fortement liée à l’ATM (Ataxie Télangiectasie Mutée). Elle est capable de déceler
des lésions sur l’ADN. Si ces lésions sont minimes, la p53 interrompt le cycle cellulaire pour
les réparer. Si les lésions sont sévères, la p53 enclenche l’apoptose.
- en cas de lésion minime, activation de la p53 par la l’intermédiaire de la protéine ATM.
- la p53 se fixe sur l’ADN au niveau d’un promoteur de gène et joue le rôle de facteur de
transcription sur des gènes à l’origine de protéines inhibitrices (ex : p21).
- traduction d’une protéine inhibitrice qui bloque les complexe cycline-cdk
- cela permet de laisser du temps à l’ADN pour se réparer
Il existe deux classes de gènes :
Gènes de prolifération
= proto-oncogène
(dominant)
Code pour les facteurs
de transcription des cyclines
Gènes de répression
=anti-oncogène
(récessif)
Gènes suppresseurs de tumeurs
Code pour pRb, les cdkI et p53
Oncogène
MUTATION
gène muté
HYPEREXPRESSION
INACTIVATION
--> prolifération anarchique : cancer
Les protéines p21, p24, p27 … sont des cdkI, ce sont des protéines inhibitrices des cdk :
elles freinent le déroulement du cycle cellulaire en s’opposant à la destruction des cyclines -->
blocage des complexes cdk-cycline.
La p16 est importante en pathologie humaine. On la retrouve en cas de mésothéliomes bénin
ou prolifératif. On différencie les deux en cherchant la délétion d’un allèle codant pour cette
protéine.