17 - Cycle cellulaire et mort cellulaire programmée
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LE CYCLE CELLULAIRE 1 Medecine Science 2001, 17 (11), 1226 2 Rudolf Virchow (1858) Omni cellula e cellula Théorie cellulaire 3 Théorie cellulaire • • • • Toute cellule vient d'une cellule Tout animal vient d'un animal Toute plante vient d'une plante Continuité de la vie 4 Cycle cellulaire • Séquence d'événements dans laquelle la cellule duplique son contenu puis se divise en deux – Nouvel organisme chez les êtres unicellulaires – Maintien de l'intégrité de l'organisme chez les êtres multicellulaires • remplacement des cellules mortes • fabrique de millions de cellules par seconde • Survie de l'espèce 5 Les deux tâches de base • Caractéristiques universelles – Réplication de l'ADN – Ségrégation des copies dans les cellules filles • Variation d'un organisme à l'autre dans le détail 6 Fig • Le cycle cellulaire d'une cellule eucaryote à deux 17-1 chromosomes 7 Système de contrôle du cycle cellulaire • Réseau complexe de protéines régulatrices • Succession d'interrupteurs biochimiques – réplication de l'ADN – ségrégation des chromosomes répliqués • Réponses à des signaux – internes (eg attendre que tout l'ADN soit répliqué) – externes (eg nombre de cellules) • Il faut aussi dupliquer les organites 8 Plan • I - Survol du cycle cellulaire • II - Constitution du système de contrôle du cycle cellulaire • III - Contrôle intra-cellulaire des événements du cycle cellulaire • IV – Apoptose • V - Control extra cellulaire de la division cellulaire, de la croissance cellulaire et de l'apoptose 9 Plan • I - Survol du cycle cellulaire • II - Constitution du système de contrôle du cycle cellulaire • III - Contrôle intra-cellulaire des événements du cycle cellulaire • IV – Apoptose • V - Control extra cellulaire de la division cellulaire, de la croissance cellulaire et de l'apoptose 10 I - Survol du cycle cellulaire 11 Les deux phases principales • Phase S (synthèse de l'ADN) – 10-12 heures – la moitié de la durée du cycle • Phase M (pour mitose) – – – – – – – – – moins d'une heure condensation des chromosomes fragmentation de l'enveloppe nucléaire chromatides sœurs fuseau mitotique métaphase (pause) Anaphase décondensation des chromosomes reformation du noyau • Cytocinèse 12 • Cycle de division cellulaire vu au microscope • On voit la phase M • Transition métaphase anaphase Fig 17-2 13 Les deux "trous" • Pour doubler la masse de protéines et le nombre d'organites • Dans la plupart des cellules • G 1 (gap 1) • G 2 (gap 2) • G1 S G2 M 14 • Les phases du cycle cellulaire Fig 17-3 15 Les phases G1 et G2 • Surtout phases de vérifications (plus que phases d’attente) • Permettent la croissance de la cellule • G1 peut être très longue G0 • G0 peut durer jours, semaines, années 16 Phase G1 ou G0 • Peut durer jusqu'à la mort • Si signal "point d'engagement" – "point start" chez la levure – "point de restriction" chez les mammifères • Après ce "point", réplication de l'ADN même si le signal a disparu 17 Système de control du cycle cellulaire • Identique d'une cellule à l'autre • Apparu il y a plus d'un milliard d'années • Fonctionne quand on le transfert d'un humain à une levure • Trois systèmes d'étude – Levure – Embryon de grenouille – Cellule de mammifère en culture 18 1 - Études génétiques chez la levure • Très proche de nous • Schizosaccharomyces pombe (fission) • Saccharomyces cerevisae (bourgeonnante = budding) • Nombreux points communs – Se répliquent aussi vite qu'une bactérie – Génome de moins de 1 % de celui d'un mammifère – modifications génétiques rapides et faciles – prolifèrent à l'état haploïde pas de 2ème copie 19 • Schizosaccharomyces pombe – division par fission – bière africaine – bâtonnet – croît par élongation d'une extrémité – formation d'une plaque cellulaire pour la division au centre du bâtonnet Fig 17-4 20 • Saccharomyces cerevisae (bourgeonnante = budding) – division par bourgeonnement – levure des brasseurs et des boulangers – ovale – bourgeon en G1 – croît et se sépare de la mère après la mitose Fig 17-4 21 22 Gènes cdc • Recherche de mutations qui inactivent les gènes codant pour des éléments essentiels du système de contrôle du cycle cellulaire • On appelle ces gènes "gènes du cycle de division cellulaire" = "cell-division-cycle" genes = gènes cdc • Chez le mutant le cycle cellulaire s'arrête à un point spécifique 23 Gènes cdc • Un mutant ne peut pas proliférer • Pour les étudier il faut que le phénotype soit conditionnel ie le gène ne fonctionne pas que dans certaines conditions • Les plus fréquentes sont la température • Mutations thermosensibles 24 Mutations cdc thermosensibles • basse température – le gène fonctionne – le mutant peut proliférer – le cycle cellulaire peut se faire – conditions permissives • haute température – le gène ne fonctionne pas – le mutant ne peut pas proliférer au delà du point où intervient le gène muté – pas de cycle cellulaire – conditions restrictives 25 • Cycle cellulaire chez un mutant cdc thermosensible – A - On trouve toutes les phases du cycle – B - Le gène muté ne fonctionne plus mais la croissance continue grosses cellules Fig 17-5 26 • Levure bourgeonnante bloquée par une mutation d'un gène cdc – A - cellules normales Fig 17-6 – B - mutation cdc 15 à température restrictive, les cellules vont jusqu'en anaphase puis se bloquent 27 2 - Études biochimiques chez l'embryon de grenouille • Grosse taille (1 mm de diamètre chez Xenopus) • 100 000 fois plus de cytoplasme qu'une cellule humaine 28 • Œuf mature de Xenopus prêt à être fécondé Fig 17-7 29 • Croissance de l'ovocyte et clivage de l'oeuf de Xenopus – clivage : division sans croissance Croissance de l ’ovocyte sans division pendant des mois pour donner l’œuf Une division sans croissance toutes les 30 minutes pour donner un têtard en 1 ou 2 jours. Synthèse uniquement d'ADN (+qq protéines) 212 cellules = 4096 cellules en 7 heures Fig 17-8 30 Croissance et division cellulaire chez l'ovocyte de grenouille • Croissance sans division puis • Division sans croissance – – – – – 12 divisions = 212 cellules = 4096 cellules toutes les 30 minutes succession de phases S M S M S M … pas de G1 pas de G2 deux étapes : duplication du génome puis ségrégation • Le plus simple • Grosse taille – on peut injecter dans le cytosol – on peut prélever dans le cytosol pour des dosages biochimiques • On peut reconstituer le cycle cellulaire in vitro 31 32 • Système sans cellule (cell-free)pour étudier le cycle cellulaire : le système de contrôle du cycle cellulaire fonctionne dans ces extraits de cytoplasme sans cellule Fig 17-9 33 3 - Études sur cellules de mammifères en culture • Cultures en boites de plastic 34 Fig • Fibroblastes de rat au MEB • Cultures en boites de plastic • Mais senescence et arrêt de cycle au bout de 25-40 17-10 divisions • Lignées – immortelles – mais anormales 35 Suivi de la culture • Comment savoir à quelle phase du cycle est une cellule ? • Mitose : observation • Cytocinèse : observation • Phase S : – 3H Thymidine : auto-radiographie – BrdU (analogue de la thymidine) : AC anti BrdU 36 • Marquage de cellules en phase S • A - 3H Thymidine : auto-radiographie épithélium sensoriel de l'oreille interne de poulet • B - BrdU : AC anti BrdU (BrdU 4 h) Fig 17-11 37 The Journal of Cell Biology, Volume 148, Number 5, March 6, 2000 971-984 • NG2 (protéoglycanne) expression and BrdU incorporation in OPCs (oligodendrocyte precursor cells) cultured without TH (thyroid hormone) in PDGF for 450 days. • (A) Cell stained for NG2. • (B and C) OPCs were pulsed with BrdU for 4 h before staining for – A2B5 (green, in C) – and BrdU (red in B and C). • Nuclei were stained with Hoechst dye (blue in B). • Bars, 10 µm. 38 Résultats dans culture à prolifération rapide et asynchrone • 30-40% des cellules sont en phase S (index de marquage après pulse de BrdU) • Calcul du pourcentage de la durée du cycle à partir du pourcentage de cellules marquées – de S en G2 – de M en G1 – de G1 en S 39 • Cytomètre de flux – Beaucoup de cellules – Rapide – Durée de G1, S, G2+M – sur une population synchrone Fig 17-12 40 Résumé • 3 modèles différents – Levure – Embryon – Culture • 3 approches différentes – Génétique – Biochimique – Cellule • 3 types de résultats différents 41
