Duplication du centrosome

LA DIVISION CELLULAIRE
La phase M de la division cellulaire comporte deux événements : la division du noyau, ou
mitose, et la division cytoplasme, ou cytodiérèse. Au cours de cette division, les différents
composants d’une cellule parentale (qui ont doublé au cours de l’interphase précédente)
sont partagés entre les deux cellules filles.
I.
Duplication du centrosome
La duplication cellulaire nécessite la duplication du centrosome (figure 1). Le centrosome,
ou centre cellulaire, est le centre organisateur de microtubules de la cellule. Il est constitué
d’une matrice protéique associée à une paire de centrioles (un centriole est une structure
cylindrique constituée de 9 triplets de microtubules). A la fin de la phase G1 (voir le début du
chapitre sur le noyau), les 2 centrioles se séparent de quelques microns mais restent reliés
entre eux. Au cours de la phase S, un centriole fille apparaît à la base de chaque centriole
mère, et s’allonge à angle droit. Deux centrosomes se forment : l’un contient le centriole le
plus ancien (marqué par la présence d’appendices distaux sur le centriole – disque gris a la
base du centriole sur la figure 1 - et la présence de tubuline epsilon dans le matériel
péricentriolaire), l’autre est encore immature. L’élongation des centrioles filles et la
maturation du deuxième centrosome continuent pendant la phase G2. Les deux
centrosomes restent appariés jusqu’au bout de la Phase M. Les centrosomes s’éloignent
ensuite pour donner deux faisceaux de microtubules irradiant en étoile autour de chaque
centrosome, appelés alors asters. Ces deux asters vont former les pôles du fuseau
mitotique.
Figure 1 : Cycle du centrosome (réplication de centrioles) (voir le texte pour explications)
1 II.
Description morphologique
La description de la division cellulaire est basée sur l’observation microscopique de cellules
en phase M. La division nucléaire comporte 5 étapes successives survenant dans un ordre
précis, alors que la cytodiérèse commence pendant la division nucléaire et se termine à la fin
de la phase M (figure 2).
Figure 2 : Durée des différentes étapes de la mitose et position de la cytodiérèse
1- La prophase (figure 3.1)
Le début de la prophase est défini comme le moment ou la condensation chromatinienne,
ayant débuté au cours de la phase G2, permet la visualisation de différents chromosomes.
Ces chromosomes ayant dupliqué leur ADN au cours de la phase S précédente, se
présentent sous la forme de deux chromatides sœurs, associées sur toute leur longueur. Le
fuseau mitotique se forme à la fin de la prophase, dans le cytoplasme, à l’extérieur du noyau.
Ce fuseau est une structure bipolaire, constitué de microtubules et de protéines associées,
dérivée de la duplication des centrosomes et de leur séparation.
2- La prométaphase (figure 3.2)
La prométaphase commence au moment où l’enveloppe nucléaire disparait. Les
microtubules formant le fuseau mitotique peuvent alors entrer dans la région nucléaire, et se
différencier en trois types de microtubules différents : les microtubules kinétochoriens qui
s’associent à des complexes protéiques (appelés kinétochores) fixés aux centromères, les
microtubules polaires qui irradient de chacun des centrosomes et interagissent entre eux
2 au milieu du fuseau, et les microtubules astraux qui irradient dans toutes les directions à
partir de chacun des centrosomes.
3- La métaphase (figue 3.3)
Les microtubules kinétochoriens alignent les chromosomes sur un plan situé à mi-distance
de chacun des pôles du fuseau (appelé plaque équatoriale). Chacun des chromosomes est
maintenu à cette position grâce à la traction exercée au niveau des centromères par les
microtubules kinétochoriens irradiant de chacun des pôles.
4- L’anaphase (figure 3.4)
L’anaphase débute soudainement au moment où les chromatides sœurs de chaque
chromosome se séparent et sont alors « tirées » vers le pôle qui leur fait face. Chaque
chromatide constitue alors un chromosome « fils », qui se dirige vers un pôle cellulaire à la
vitesse d’un micromètre par minute. L’anaphase dure seulement quelques minutes.
5- La télophase (figure 3.5)
Les chromosomes « fils » sont arrivés à chacun des pôles du fuseau. Les microtubules
kinétochoriens disparaissent, les microtubules polaires s’allongent encore. Une nouvelle
enveloppe nucléaire se reconstitue autour de chaque ensemble de chromosomes, la
chromatine se décondense et le nucléole, qui avait disparu au moment de la prophase,
commence à réapparaître.
6- La cytodiérèse (figure 3.6)
Le cytoplasme se divise selon un processus appelé clivage ou segmentation, qui commence
pendant l’anaphase. La membrane cytoplasmique située au milieu de la cellule, s’invagine
dans un plan perpendiculaire au fuseau mitotique, créant un sillon de division qui
s’approfondit progressivement, ne laissant persister à la fin qu’un pont cytoplasmique
contenant les restes du fuseau mitotique, appelé corps intermédiaire, qui finit par se
rompre pour donner naissance aux deux cellules filles.
Centrosome
Aster
Centromère
Fuseau
mitotique
Centre cellulaire, centre organisateur principal des microtubules
(interphase), à l’origine du fuseau mitotique (mitose)
Une paire de centrioles+matrice protéique
Aspect étoilé du centrosome du fait de la nucléation de multiples
microtubules
Région de constriction primaire d’un chromosome mitotique
séquence d’ADN qui permet la fixation du kinétochore et l’attachement
d’un chromosome au fuseau mitotique
Ensemble de microtubules et protéines associées qui se forme entre les
deux pôles d’une cellule en mitose
microtubules kinétochoriens+polaires+astraux
3 4 Figure 3 : les différentes étapes de la mitose
5 Régulation de la mitose
III.
Deux processus essentiels contrôlent la progression mitotique :
1- L’activation du facteur MPF (Mitosis/Maturation/M phase Promoting Factor) permet
le passage en mitose. Ce facteur MPF est un complexe protéique associant la cycline
B et la kinase Cdk1. Il est responsable de la phosphorylation des lamines, de
nucléoporines, de protéines associées aux microtubules, des histones et des
condensines au début de la mitose.
2- L’activation du complexe APC (Anaphase Promoting Complex ou cyclosome) est
indispensable à la transition métaphase-anaphase. Ce complexe possède une
activité ubiquitine ligase responsable du ciblage des protéines vers le protéasome
afin qu'elles soient dégradées. Ses cibles majeures sont la cycline B (composant du
MPF) et la sécurine.
G2------------------> Prophase----/ / Métaphase------------> Anaphase
MPF
Activé
APC inactive
IV.
inactivité
activé
Enveloppe nucléaire et mitose
La dépolymérisation de la lamina nucléaire au début de la mitose est liée à la
phosphorylation des lamines dans le complexe MPF. Certaines protéines de la membrane
nucléaire interne sont également phosphorylées, ce qui bloque leurs interactions avec la
chromatine. L’enveloppe nucléaire disparaît et les constituants des pores nucléaires se
dissocient.
Figure 4 : La membrane nucléaire au cours de la mitose
6 En fin de mitose, les lamines et le protéines de la membrane nucléaire interne sont
déphosphorylées, de telle sorte que des vésicules membranaires se reconstituent à la
surface de chaque chromosome ou autour de groupes de chromosomes (figure 4). La fusion
des vésicules membranaires en une enveloppe nucléaire unique nécessite la génération de
RanGTP par le facteur d’échange RCC1 et l’hydrolyse secondaire du GTP. Parallèlement,
les différents éléments du pore nucléaire se réassocient, permettant de reconstituer le stock
de protéines nucléaires (comme les protéines nucléaires doivent être réimportées de façon
répétée, après chaque mitose, le signal d’importation des protéines dans le noyau n’est
jamais clivé)(voir le chapitre sur le noyau).
V. Modifications des propriétés dynamiques des microtubules au cours de
la mitose
Les microtubules sont des structures cylindriques, constituées de 13 protofilaments
linéaires, formés par une succession de molécules de tubuline. L’étape de polymérisation
initiale des molécules de tubuline (ou phénomène de nucléation) est un processus
relativement lent, alors que l’allongement du polymère par addition de dimères est un
processus relativement rapide. L’orientation des molécules de tubulines dans un
protofilament lui donne une polarité structurelle, et permet de distinguer une extrémité dite
« positive » (de croissance rapide, localisée à la périphérie de la cellule) et une extrémité dite
« négative » (de croissance plus lente, localisée au niveau du centrosome). L’instabilité
dynamique des microtubules, c’est-à-dire l’alternance de polymérisation et dépolymérisation,
est due à l’hydrolyse retardée du nucléotide triphosphate GTP portée par les molécules de
tubuline.
Figure 5 : Synthèse et dégradation des microtubules
7 Les molécules de tubuline qui portent un nucléotide GTP ont une forte affinité pour
l’extrémité du polymère et s’additionnent rapidement au polymère, créant ainsi un
« chapeau » GTP, maintenant une structure rigide et favorisant l’élongation. Lorsque le GTP
est hydrolysé en GDP, la structure des molécules de tubuline est modifiée, courbant la fibre,
et favorisant la dissociation des sous-unités (figure 5).
Au cours de l’interphase, le faisceau de microtubules irradiant du centrosome est dans un
état d’instabilité dynamique, au cours duquel il existe en permanence une croissance et une
décroissance des microtubules, avec disparition et nucléation de nouvelles fibres.
Au cours de la prophase, les propriétés dynamiques des microtubules sont modifiées : la
demi-vie des fibres est beaucoup plus courte, et le taux de nucléation des fibres à partir du
centrosome fortement accru, permettant la formation des asters. Les microtubules
intervenant dans la constitution du fuseau mitotique sont ensuite stabilisés sélectivement,
par interaction avec les kinétochores (microtubules kinétochoriens) ou avec les microtubules
provenant de l’autre centrosome (microtubules polaires).
La formation d’un fuseau bipolaire est due à la duplication des centrosomes, aux
modifications locales des propriétés dynamiques des microtubules (modifications liées à
l’état de phosphorylation des protéines associées aux microtubules), et au fait que les
protéines motrices sont capables d’organiser l’orientation d’un ensemble de microtubules.
VI.
Kinétochores et centromères
Au début de la phase M, chaque chromosome a entièrement répliqué son ADN, et comprend
deux molécules identiques, appelées chromatides sœurs, appariées sur toute leur longueur.
Cet appariement présente une constriction au niveau d’une région particulière de l’ADN,
appelée centromère. L’ADN centromérique comporte des séquences d’ADN répétées (ADN
alpha satellite), probablement nécessaires à la compaction de cette région et s’associe à un
complexe protéique spécifique appelé kinétochore au cours de la prophase. Chaque
kinétochore forme une plaque au niveau du
centromère
de
chaque
chromatide,
et
est
« capturé » par les microtubules provenant d’un
pôle du fuseau, de telle sorte que les chromatides
sœurs s’attachent aux pôles opposés du fuseau.
La
formation
d’une
et
d’une
seule
région
chromosomique associée au kinétochore est une
condition sine qua non de ségrégation correcte
d’une chromatide à un pôle du fuseau (figure 6).
La cohésion des deux chromatides sœurs fait
intervenir des protéines spécifiques (cohésines) et
Figure 6 : Centromère d'un chromosome métaphasique 8 se met en place dès la replication de l’ADN. Au cours de la prophase, on observe une
dissociation partielle de cohésines au niveau des bras chromosomiques et l’association de
condensines, qui raccourcissent l’axe chromosomique et induisent des supers tours dans les
boucles chromatiniennes. Les deux chromatides restent fortement associées au niveau de la
région centromérique. L’activation soudaine du complexe APC va induire l’ubiquitination et la
dégradation de protéines contrôlant la cohésion des chromatides (sécurines), libérant ainsi la
séparase (enzyme protéolytique capable de dégrader les cohésines impliquées dans
l’attachement des centromères). La séparation brutale des centromères permet la migration
des chromatides sœurs à chacun des pôles (figure 7).
Figure 7 : Le complexe APCFizzy règle la transition métaphase/anaphase. (voir texte
pour explication)
VII.
Forces exercées sur les chromosomes pendant la mitose
A. Pendant la métaphase
Le fuseau mitotique est dans un état d’équilibre dynamique au cours de la métaphase. Les
microtubules kinétochoriens et polaires gardent une longueur constante, tout en continuant à
incorporer des molécules de tubuline à leur extrémité + (située au niveau du centre du
fuseau), et à perdre des molécules de tubuline à leur extrémité – (située au niveau du
centrosome). Les forces permettant le positionnement des chromosomes au niveau de la
plaque équatoriale sont complexes : traction des kinétochores vers chacun des pôles et
éloignement des bras chromosomiques par une force d’exclusion astrale (figure 8).
9 Figure 8 : Fuseau mitotique pendant la métaphase
B. Séparation des chromatides sœurs au cours de l’anaphase
La séparation des chromatides au cours de l’anaphase fait intervenir 2 processus (figure 9) :
‐
Au cours de l’anaphase A, il existe un raccourcissement des microtubules
kinétochoriens par dépolymérisation rapide au niveau de l’extrémité + des
microtubules ;
‐
Au cours de l’anaphase B, il existe une séparation des pôles due : 1) à l’allongement
des microtubules polaires (force de glissement générée au niveau de l’interaction
médiane) ; 2) à une traction des pôles vers l’extérieur (force de traction due à des
interactions entre microtubules astériens et cortex cellulaire).
Figure 9 : Les deux phases de l’anaphase
10 VIII.
Rôles des protéines motrices dans la formation du fuseau mitotique
et le mouvement des chromosomes
Les protéines motrices associées aux microtubules vont intervenir de manière majeure dans
la formation du fuseau mitotique et dans les mouvements chromosomiques.
Les protéines motrices impliquées sont : 1) la dynéine cytoplasmique (associée au complexe
dynactine) ; 2) de nombreuses protéines de la superfamille des kinésines : KIN N (ayant un
domaine moteur N terminal, et se déplaçant vers l’extrémité +) ; KIN C (ayant un domaine
moteur C terminal, et se déplaçant vers l’extrémité -) ; KIN I (internal domain, induisant la
dépolymérisation des microtubules).
La formation du fuseau fait intervenir :
1. L’organisation des microtubules au niveau des pôles par la dynéine
2. La séparation des pôles du fuseau par les KIN N bipolaires et KIN C unipolaire
situées au niveau des microtubules polaires (figure 10a), et par la traction de la
dynéine sur les microtubules astraux (figure 10b).
Figure 10 : Protéines motrices dans la formation du fuseau mitotique et le mouvement
des chromosomes
11 Au cours des premières phases de la mitose, les bras chromosomiques sont repoussés loin
des pôles par des KIN N associées à la chromatine (chromokinésines) (vent polaire) (figure
10c). Ces chromokinésines sont inactivées à la transition métaphase-anaphase.
Par ailleurs, l’attachement du chromosome au fuseau mitotique fait intervenir la dynéine (au
moment de la capture des kinétochores), puis un KIN N appelée CENP-E (permettant
l’association du kinétochore aux microtubules) (figure 10d).
IX.
Cytodiérèse
La position du fuseau mitotique détermine quand et où la segmentation cytoplasmique aura
lieu. Le sillon de division apparaît pendant l’anaphase, dans le plan de la plaque équatoriale,
et perpendiculairement au fuseau mitotique. Des interactions entre microtubules astraux et
cortex cellulaire induisent la formation d’un anneau contractile constitué de filaments d’actine
et de myosine. C’est la contraction de cet anneau qui va permettre l’invagination progressive
de la membrane cytoplasmique au niveau du sillon de segmentation (figure 11).
Figure 11 : Anneau contractile séparant les deux cellules
La majorité des cellules se divisent de manière symétrique, donnant naissance à deux
cellules filles identiques. Néanmoins, dans certains cas (en particulier au cours du
développement embryonnaire), il existe des divisions cellulaires asymétriques, donnant
naissance à des cellules de taille et/ou de composition biochimique différente.
12 X.
Anomalies de la division cellulaire
A. Altérations des centrosomes
Les anomalies du centrosome (anomalies de nombre, duplication excessive ou absente,
assemblage ectopique) entraînent la formation de fuseaux mitotiques anormaux, ne
permettant pas une ségrégation égale et sans cassure des chromosomes lors de la division
cellulaire. Ces anomalies sont fréquemment observées dans les cellules cancéreuses et
interviennent probablement dans l’instabilité génétique (aneuploïdie) associée à la
tumorigenèse.
B. Point de contrôle du fuseau mitotique
La ségrégation égale des chromatides à chaque cellule fille nécessite l’attachement des
tous les chromosomes aux deux pôles du fuseau mitotique et leur alignement au niveau de
la plaque équatoriale. Il existe un système de contrôle permettant de détecter et de corriger
les attachements manquants ou défectueux, et de temporiser l’anaphase si nécessaire. Ce
système de contrôle, appelé point de contrôle du fuseau mitotique, repose sur les
kinétochores et un certain nombre de protéines spécifiques récemment identifiées : les
kinétochores qui ne sont pas attachés de manière stable à un pôle du fuseau transmettent
un signal d’attente à la cellule, signal capable d’empêcher l’activation du complexe APC (qui
contrôle la séparation des chromatides sœurs). Il a été mis en évidence des anomalies de ce
système de contrôle (mutation des gènes impliqués) dans certains cancers.
13