Le cycle cellulaire





I. Généralités :

Toutes les cellules à l’exception des hématies et des cellules nerveuses, sont susceptibles de se diviser et de former deux cellules filles ayant les mêmes caractères morphologiques et physiologiques que la cellule mère. Les cellules passent par des alternances de mitoses et de phases inter-mitotiques : interphases. Le cycle cellulaire est l’ensemble des modifications qu’une cellule subit entre sa formation par division de la cellule mère et le moment où cette cellule a fini de se diviser en deux cellules filles grâce à la mitose. Il comprend donc : interphase et mitose.



Les cellules eucaryotes se divisent d’une manière complexe, la cytodiérèse. Les bactéries se divisent par une simple scission contrôlée par un analogue de la tubuline, la protéine FtsZ. En réponse à un signal encore inconnu, FtsZ polymérise, sous forme de filaments en présence de GTP et  de Mg2+ , pour former un anneau (l’anneau Z) qui vient pincer la membrane de la bactérie et permet ainsi la division des cellules bactériennes.
                        
II. Mitose :
1. Les phases du cycle cellulaire :
Le cycle cellulaire eucaryote consiste en diverses phases distinctes. Celles-ci comportent la phase S, durant laquelle l’ADN nucléaire se réplique, et la phase M, durant laquelle le noyau se divise (mitose) puis le cytoplasme se divise (cytodiérèse). Il y a dans la plupart des cellules une phase gap (intervalle, G1) entre la phase M et la phase S, et une autre phase gap (G2) entre la phase S et la phase M. Ces gaps laissent à la cellule plus de temps pour croître.Le début de la phase S est signalé par la formation d’un fuseau mitotique fait de microtubules, qui ségrége les chromosomes fils vers les pôles opposés de la cellule. Chez la plupart des cellules de mammifères, le cycle cellulaire dure entre 10 et 30 heures. Les cellules en phase Gne poursuivent pas toujours le cycle cellulaire, elles peuvent le quitter et entrer en phase d’attente, G0.


                               

2. La phase M :
a. Interphase :
L’interphase est constituée des phases G1, S et Gdu cycle cellulaire, elle prépare la cellule à la phase M (mitose). L’ADN des chromosomes est répliqué (phase S, synthèse) et le centrosome se duplique avant que le fuseau mitotique ne s’assemble en début de la phase M.


Les deux centrosomes fils se séparent, ils se déplacent chacun vers l'un des pôles opposés de la cellule pour former les deux pôles du fuseau. A l’interphase, le centrosome n'est pas visible.

b. Prophase :
A la prophase, suite à l'action du MPF (Maturation Promoting Factor), la phosphorylation des lamines entraîne la dépolymérisation de la lamina, et l'enveloppe nucléaire, fragilisée, se vésicularise. Les lamines B restent associées à de petites vésicules (fragments de l'ancienne enveloppe nucléaire) ce qui facilitera la reformation de l'enveloppe à la télophase (après inactivation des MPF) : les lamines déphosphorylées se repolymérisent au contact des chromosomes et les vésicules fusionnent pour reconstituer l'enveloppe nucléaire autour des chromosomes.

Les volumineux organites limités par une membrane, tels que le réticulum endoplasmique et l’appareil de Golgi, se rompent en de nombreux fragments plus petits pendant la phase M, permettant l’égalité de leur répartition entre les cellules filles.
Les microtubules croissent à partir des centrosomes, en dehors du noyau, et certains d’eux interagissent avec des microtubules croissant à parti du pôle opposé, devenant ainsi les microtubules polaires du fuseau.
Le cycle du centrosome commence par la formation d’une paire de centriole dupliqué en interphase, la duplication s'achevant en G2. Le complexe contenant les deux paires de centrioles plus la matrice est clivé en deux. Au niveau de chaque complexe, il y aura une nucléation de deux asters qui se déplaceront vers les pôles.



Cycle du centrosome.

Les chromosomes, faits chacun de chromatides sœurs associées par la cohésine, accentuent leur condensation (x50) grâce à la condensine, processus qui utilise de l’ATP


c. Métaphase :
Quand l’enveloppe nucléaire se rompt, les microtubules du fuseau envahissent l’aire nucléaire. Certains d’eux captent les chromosomes répliqués en se liant à des complexes protéiques, appelés kinétochores, associés au centromère de chaque chromatide sœur. Les microtubules de pôles opposés tirent chaque chromosome dans une direction opposée, amenant les chromosomes à l’équateur du fuseau mitotique (prométaphase). La métaphase proprement dite se caractérise par l’alignement des chromosomes à mi-chemin entre les pôles du fuseau (équateur).    

         

d. Anaphase :
Les chromosomes fils, produits par la séparation soudaine des chromatides sœurs appariées, sont tirés par le fuseau vers les pôles opposés. C’est la dégradation de la cohésine, formée pendant la phase S, qui permet la dissociation des chromatides sœurs. Cette dégradation est liée à l’activation d’un complexe APC/C (Anaphase-Promoting complex), une ubiquitine ligase. Les deux pôles s’écartent également en se déplaçant vers l’extérieur, séparant encore plus les deux jeux de chromosomes.
Un système de contrôle, le point de contrôle mitotique (Spindle Assembly Checkpoint, SAC) inhibe l’entrée en anaphase tant que tous les chromosomes ne sont pas correctement attachés au fuseau mitotique. Le SAC inclut plusieurs protéines, dont Mad1, Mad2, Mad3, Bub1, Bub3 et Mps1 et inhibe l’APC/C, donc l’entrée en anaphase en contrôlant Cdc20.

Lorsque toutes les paires de chromatides sœurs sont attachées de façon correcte (attachement amphitélique), les microtubules exercent une tension qui tend à séparer les centromères.
                                    

Le mouvement des chromosomes dû au fuseau est entraîné à la fois par les protéines motrices des microtubules, et par la polymérisation et la dépolymérisation des microtubules.


e. Télophase :
Chacun des deux jeux de chromosomes fils arrive à un pôle du fuseau. Une enveloppe nucléaire se reforme autour des deux jeux de chromosomes ségrégés, afin de former deux noyaux nouveaux, terminant ainsi la mitose.




III. Cytodiérèse (cytocinèse)
Dans les cellules animales, la division cellulaire est achevée par un anneau contractile de filaments d’actine et de filaments de myosine, qui s’assemble à mi-chemin des pôles du fuseau, et qui se contracte pour diviser le cytoplasme en deux ; par contre, dans les cellules végétales, la division cellulaire se termine par la formation dans la cellule d’une paroi cellulaire nouvelle, qui divise le cytoplasme en deux.



IV. Méiose
Les gamètes (chez les animaux, le spermatozoïde et l’ovule) sont formés par la méiose, forme spécialisée de la division cellulaire qui produit des cellules haploïdes à partir de cellules diploïdes. Les cellules haploïdes sont nécessaires aux organismes à reproduction sexuée afin que le nombre de chromosomes ne double pas à chaque fertilisation.




Bien que la plupart des caractéristiques mécaniques de la méiose soient semblables à celles de la mitose, le comportement des chromosomes est différent ; la méiose produit, par deux divisions cellulaires successives, quatre cellules haploïdes génétiquement dissemblables, alors que la mitose produit, par une seule division cellulaire, deux cellules diploïdes génétiquement identiques.



En méiose, la séparation des chromosomes homologues, en anaphase I, et la ségrégation des chromatides sœurs, en anaphase II, se font par clivage de cohésines différentes. En effet, chez la levure S. pombe, deux complexes de cohésines cohabitent en méiose : l’un comprend Rec8 et Rec11 (des kleisines) et s’associe aux bras des chromosomes, le second comprend Rec8 et Scc3 (Sister Chromatid Cohesion 3) et s’associe aux centromères (domaine central ainsi que les régions péri-centromériques). En méiose I, les paires de chromosomes homologues (bivalents) sont connectées par leur chiasma et l’attachement des kinétochores frères au fuseau méiotique est mono-orienté. La ségrégation réductionnelle des chromosomes est déclenchée par le clivage de Rec8 et Rec11 par la séparase le long des bras de chromosomes. La protéine Sgo1 protège les cohésines présentes aux centromères du clivage par la séparase. En méiose II, les cohésines centromériques permettent l’attachement bi-orienté amphitélique des kinétochores frères. La ségrégation équationnelle des chromatides sœurs est déclenchée par le clivage par la séparase des cohésines centromériques déprotégées (Rec8 et Scc3). Cette division est similaire à la mitose où les chromatides sœurs sont ségrégées vers les pôles opposés de la cellule. Le résultat de ces deux divisions méiotiques est la génération de chromosomes recombinants et la diminution de la ploïdie.


V. Contrôle du cycle cellulaire et mort de la cellule :
La régulation du cycle cellulaire est un processus essentiel et nécessaire pour maintenir l’homéostasie tissulaire et pour éliminer les cellules non souhaitées ; il permet aussi de protéger contre la prolifération cellulaire anarchique. En effet, le système de contrôle du cycle cellulaire coordonne les événements du cycle cellulaire en activant puis en arrêtant de façon cyclique des parties appropriées de la machinerie du cycle cellulaire. Plus d’une centaine de gènes est impliquée spécifiquement dans le cycle cellulaire, ce sont les gènes Cdc (Cell division cycle).
1. Système de contrôle du cycle cellulaire :
Le système de contrôle consiste principalement en un ensemble de complexes protéiques, composés chacun d’une sous-unité régulatrice appelée cycline, dont les concentrations varient périodiquement au cours du cycle cellulaire, et d’une sous-unité catalytique appelée protéine kinase cycline-dépendante (Cdk).


Les cyclines sont une famille de plusieurs protéines impliquées dans la régulation du cycle cellulaire. La variation cyclique de leur production régit crucialement le cycle cellulaire, c’est pourquoi, d’ailleurs, ont été appelées cyclines. Leur découverte a valu, en 2001, le prix Nobel de physiologie et médecine à Leland H. Hartwell, Sir Tim Hunt et Sir Paul Nurse.
Il existe huit cyclines (A, B, C, D, E, F, G et H) dont chacune possède un mode unique d’expression au cours du cycle. Leur expression est ainsi cyclique c’est-à-dire une cycline déterminée n’existe pas pendant toute la durée du cycle.



Des complexes cycline-Cdk différents déclenchent des étapes différentes du cycle cellulaire. Par exemple, les cyclines D sont synthétisées au début de la phase Get se lient avec des Cdk4 et Cdk6 pour former des complexes intervenant dans la progression de la phase G1. Les complexes cyclines E/Cdk2 jouent un rôle dans la transition G1/S et dans le déroulement de la phase S. Les cyclines A et B s’associent à la Cdk2 et participent à la transition G2/M. Le MPF (Maturation Promoting Factor ou M-phase Promoting Factor), complexe cycline-Cdk mitotique, déclenche la mitose cellulaire.


Les Cdk sont activées cycliquement à la fois par la liaison de la cycline et par la phosphorylation de certains acides aminés induite par la CAK (Cdk Activating Kinase) ainsi que par la déphosphorylation d’autres ; quand elles sont activées, les Cdk phosphorylent des protéines clés dans la cellule. La concentration de la cycline s’élève et chute à des moments spécifiques du cycle cellulaire, fournissant un mécanisme de chronométrage ; l’élévation est la conséquence d’une synthèse soutenue, alors que la chute brusque est due à une protéolyse rapide.



Le cycle cellulaire peut s’arrêter par au moins deux mécanismes : (1) des protéines inhibitrices de la Cdk peuvent bloquer l’assemblage ou l’activité d’un ou plusieurs complexes cycline-Cdk, ou (2) l’arrêt de la fabrication de composants du système de contrôle.


2. Mise en évidence du contrôle du cycle cellulaire :
Les complexes cyclines/Cdk ont été mis en évidence par différentes expériences comme la maturation d’œufs d’amphibiens (MPF, Maturation Promoting Factor), l’utilisation de protéines embryonnaires de l’étoile de mer (cyclines) ou l’étude des mutations dans la régulation mitotique (Cdc, Cell division cycle).



De même, la fusion d’une cellule en phase Get d’une cellule en phase S (en réplication) entraîne la synthèse d’ADN. Un facteur de stimulation d’entrée en phase S agit donc sur les fibres chromatiniennes de la cellule en G1.

3. Mécanismes de contrôle :
Le système de contrôle du cycle cellulaire peut arrêter le cycle à des points de contrôle spécifiques (checkpoints) pour faire que l’étape suivante du cycle ne débute pas avant que l’étape en cours ne soit terminée. Les points de contrôle sont en nombre de trois : Point G(point R, de restriction ou point de départ) qui indique à la cellule de poursuivre son évolution si la période de multiplication est achevée et si l’environnement est favorable, à ce point la qualité de l’ADN est également contrôlée (absence de dommages) ; point Gqui contrôle la phase Gavant l’entrée de la cellule en phase M, et s’assure de la duplication et de l’intégrité de l’ADN et le point M qui contrôle la métaphase.



a. Contrôle du point R (G1/S) :
Ce point est contrôlé par la protéine Rb, la protéine E2F et par les complexes cyclines D-Cdk4, D-Cdk 6, au milieu de G1, et cyclines E-Cdk2, en fin de G1. La protéine Rb est une phosphoprotéine nucléaire désignée par le sigle Rb (rétinoblastoma protein) car l’absence ou la mutation du gène de cette protéine est à l’origine du rétinoblastome. La protéine E2F induit la phase S et la protéine Rb non phosphorylée arrête la multiplication cellulaire en formant un complexe avec E2F (Rb-E2F). L’inhibition de Rb est cancérigène ; les protéines oncogènes des virus oncogènes (comme HPV) se fixent sur Rb et la séquestrent ; E2F ainsi libéré est actif avec surexpression de la cycline D qui conduit à la prolifération anarchique des cellules.



b. Contrôle du point G:
Il faut que la totalité de l’ADN soit répliqué, que l’environnement soit favorable, que la taille de la cellule soit suffisante pour que le point Gaccorde l’autorisation à la cellule de passer en phase M. Il y a dégradation de la cycline A accompagnée par l’accumulation progressive du MPF (facteur promoteur de la mitose) qui se forme à partir d’un complexe entre Cdk1 et la cycline B. Ce complexe, en plus de contrôler la transition entre la phase Get la phase de division cellulaire, il est responsable de la dissociation de l’enveloppe nucléaire par phosphorylation des lamines et de la catalyse du fuseau mitotique en phosphorylant les MAPs.




c. Contrôle du point M :
L’APC (Anaphase-Promoting Complex) contrôle la dégradation de la cycline B au cours de l’anaphase (APC/Cdh1), mais au cours de la métaphase, il détruit aussi les protéines qui régulent la cohésion des chromatides sœurs (APC/Cdc20). Il intervient aussi en phase Gpour empêcher les cellules d’enter à nouveau en phase S sans effectuer leur mitose.

Le point M, appelé aussi point de contrôle de l’assemblage du fuseau (Spindle Assembly Checkpoint, SAC), il permet à la cellule de poursuivre la division si les chromosomes sont parfaitement alignés. L’anaphase reste inhibée jusqu’à ce que l’alignement complet métaphasique soit achevé. En effet, le clivage de la cohésine en sous-unités (Smc1 et Smc3Structural maintenance of chromosomes, puis Scc1 et Scc3Sister chromatid cohesion), par rupture de la protéine kleisine, qui induit la ségrégation des chromosomes en anaphase dépend de la libération de la séparase, une caspase, laquelle résulte d’une ubiquitinylation de la sécurine par le complexe APC/C (Anaphase-Promoting Complex/Cyclosome) qui est une ubiquitine ligase. Pour être actif, le complexe APC/C doit s’associer à une protéine appelée Cdc20 et doit être phosphorylé par le complexe cycline B/Cdk1. Cependant, tant que les chromosomes ne sont pas tous liés aux microtubules, une protéine Mad2 (mitotic arrest deficient 2) inhibe la formation du complexe APC en bloquant la Cdc20.



4. Contrôle du nombre de cellule :
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Le nombre de cellule animale est contrôlé par une combinaison de programmes intracellulaires et d’interactions intercellulaires (contrôles sociaux) qui contrôlent la prolifération cellulaire, la survie cellulaire et la mort cellulaire.
Les cellules animales ne prolifèrent que si elles sont stimulées par des facteurs de croissance, qui activent les voies de signalisation intracellulaires pour lever les freins normaux qui sinon bloquent la progression du cycle cellulaire ; ce mécanisme fait qu’une cellule ne se divise que si une autre cellule est nécessaire.
La plupart des cellules animales normales ont un mécanisme interne de nature inconnue qui limite le nombre de périodes durant lesquelles elles peuvent se diviser.
a. Apoptose :
De nombreuses cellules normales meurent durant la vie d’un animal en activant un programme interne de suicide et en se tuant elles-mêmes, processus appelé mort cellulaire programmée, ou apoptose. Elle dépend d’une famille d’enzymes protéolytiques, elles-mêmes activées par une cascade protéolytique. La plupart des cellules animales ont besoin de signaux permanents venant d’autres cellules pour éviter la mort cellulaire programmée ; cela est peut- être un mécanisme faisant que les cellules ne survivent que quand et où cela est nécessaire.


Il existe deux types de voies qui déclenchent l’apoptose cellulaire: 1) la voie extrinsèque médiée par l’activation d’un récepteur de la "mort", et 2) la voie intrinsèque mitochondriale qui est régulée par la protéine antiapoptose BCL2 (B-Cell Lymphoma protein- 2). Cette deuxième voie est activée par des stimuli nocifs tels que l’endommagement de l’ADN, les radiations γ ou les radicaux de l’oxygène.
L’activation d’un récepteur de la "mort" tel que les récepteurs FAS (Apoptosis Stimulating Fragment), TNF (Tumor necrosis factor) ou TRAIL (TNF-related apoptosis-inducing ligand), recrute une protéine cytoplasmique FADD (Fas-Associating protein with Death Domain). La FADD recrute la caspase 8 laquelle, à son tour, active la caspase 3 qui est directement responsable de l’exécution de l’apoptose par activation des CAD (Caspase- activated DNase) lesquelles pénétrent le noyau pour cliver l’ADN. Selon sa cocncentration, la c-FLIP (cellular FADD-like ICE-inhibitory protein) peut soit inhiber soit potentialiser la liaison FADD/caspase 8.

Concernant la voie intrinsèque, les BH3 (BCL homologous proapoptotic protein), des protéines proapoptose, sont activées par des stimuli nocifs et inhibent les protéines antiapoptose BCL2 ou BCL-XL (B-cell lymphoma protein-2 /-extra large). Ainsi, des protéines impliquées dans l’ouverture de canaux anioniques mitochondriaux voltage- dependents, BAX (Bcl-2–associated X protein) et BAK (Bcl-2 homologous antagonist/killer), sont librent d’induire une certaine permébilité de la membrane mitochondriale externe et permettre la sortie du cytochrome qui active, finalement, la caspase 9 à l’intérieur d’un apoptosome. La caspase 9 active alors la caspase 3, l’agent exécuteur de l’apoptose.


Après la perméabilisation mitochondriale, la protéine SMAC/DIABLO (second mitochondria-derived activator of caspases or Diablo homolog, mitochondrialest également libérée et agit pour bloquer l’effet des inhibiteurs de l’apoptose, IAPs (inhibitors of apoptosis protein).
Il existe entre les deux voies de l’apoptose cellulaire une interaction médiée par une forme tronquée de la BID (tBID, truncated BH3 interacting-domain death agonist) qui est clivée par la caspase 8. La tBID inhibe la voie des protéines antiapoptose BCL2 ou BCL-XL et active BAX et BAK pour induire la perméabilité de la membrane externe mitochondriale.


b. Rétrocontrôle du cycle cellulaire :
Il existe des protéines qui contrôlent, à posteriori, le cycle cellulaire c’est-à-dire après la production de la cellule, ce rétrocontrôle déclenche la mort de la cellule par apoptose en cas de dysfonctionnement du cycle. Le cycle cellulaire pourrait alors s’arrêter pour trois raisons principales : 1) lésion de l’ADN qui peut se produire tout au long de l’interphase et bloquer la transition G1/S, DDCP (DNA Damage CheckPoint) ; 2) anomalie de la réplication qui bloque la transition G1/S, RCP (Replication CheckPoint) et 3) anomalie de la répartition équitable des chromatides sœurs, à causes de liaisons incorrectes des fibres kinétochoriennes, qui bloque la transition métaphase/anaphase, MCP (Mitotic ChekPoint).

α- La protéine p53 :
Les cellules normales présentent un faible niveau de p53. Des dommages de l’ADN entraînent une augmentation de cette protéine. Elle s’exprime dans les cellules soumises à un stress et dont l’ADN est donc endommagé. Elle stoppe le cycle cellulaire en phase Gpour permettre la réparation de l’ADN avant la phase S ; ou bien elle induit l’apoptose de la cellule endommagée en se fixant sur une séquence SST (spécific sequence transactivation) de l’ADN, et en activant des gènes impliqués dans le déclenchement de l’apoptose ou dans l’arrêt du cycle cellulaire. Les mutations du gène codant pour la p53 prédisposent aux cancers de poumon et de sein.

β- La protéine p21 :
La protéine CkI p21 est un médiateur de l’arrêt du cycle cellulaire en phase G; elle est induite par la p53 en réponse à des lésions de l’ADN. La p21 ralentit la progression du cycle en inhibant les complexes cyclines et en bloquant la réplication du PCNA (proliferating cell nuclear antigen) ; elle est nécessaire à la synthèse d’ADN au cours de la phase S. Elle est capable d’inhiber les complexes cycline-Cdk (E/Cdk1 ; A/Cdk2 ; D/Cdk4). Si p53 est non exprimée, l’activation de p21 n’est pas possible.


La protéine CkI p16 est un inhibiteur de la kinase Cdk4. Dans 60% des cellules de mélanome malin ou de leucomes et dans 80% des lignées provenant des gliomes : le gène codant pour la p16 est altéré.


5. Le cancer :
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Le cancer résulte d’une accumulation de mutations qui activent des gènes promouvant la prolifération (proto-oncogènes) ou qui inactivent des gènes supprimant la prolifération (gènes suppresseurs de tumeur) ou encore qui et inactivent les gènes stabilisant et réparant le génome (gènes "caretaker") dans une unique cellule et dans les cellules de sa descendance, qui par conséquent prolifèrent sans restriction.






Cours de Pr. Ouarour

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