Cours : Le cycle cellulaire

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Introduction



Une cellule se reproduit selon une séquence ordonnée d'événements pendant lesquels elle duplique son contenu puis se divise en deux cellules filles équivalentes. Chez les organismes unicellulaires, chaque division produit un nouvel individu. Chez les espèces pluricellulaires, la division cellulaire est nécessaire à la formation de l’organisme, à sa croissance et au renouvellement de ses cellules perdues par mort naturelle ou programmée. Un être humain doit fabriquer des millions de nouvelles cellules par seconde ! Ce cycle de duplication et de division est appelé cycle cellulaire.

Chez l'embryon, les cellules se divisent rapidement. Chez l'adulte :

  • certaines cellules ne se divisent pas/plus (les neurones, les polynucléaires ou les ostéoclastes...). Elles ont perdues définitivement le potentiel de se diviser. Ce sont des cellules postmitotiques.


    • elles sont destinées à mourir un jour

    • elles ne reviendront jamais dans le cycle cellulaire.


  • d'autres se divisent, elles sont dites intermitotiques :


    • rapidement : les cellules de l'épithélium intestinal (2x/jour)

    • ou moins vite : les cellules hépatiques (moins d'une fois par an).




A) Les étapes du cycle cellulaire



1) Interphase et mitose



L’étude de la synthèse de protéines au cours du cycle cellulaire montre que cette synthèse a lieu tout le long du cycle. Les événements décisifs du cycle cellulaire sont donc contrôlés sur un fond de croissance continue. Le cycle est néanmoins divisé en 4 phases, la phase de synthèse de l’ADN (ou phase S) et celle de la répartition du matériel génétique dans les 2 cellules filles (ou phase M, la mitose) sont séparées par les phases de croissance G1 et G2 qui préparent respectivement la cellule à entrée en S et M

Schéma du cycle cellulaire
Le cycle cellulaire est divisé en 4 phases : S, M, G1 et G2


L'interphase correspond aux phases G1, S et G2. M représente la mitose.

La durée du cycle cellulaire est très variable. De moins d'une heure chez l'embryon à plusieurs mois chez l'adulte. C'est surtout au dépend de la phase G1 que cette durée varie.

2) Détermination de la durée des phases



Cytomètre
Cytomètre


L’ADN est coloré par un fluorochrome spécifique qui passe à travers les membranes des cellules et s’intercale entre les bases nucléotidiques. Le cytomètre de flux trie les cellules en fonction du signal de fluorescence qu’elles renvoient. Plus la cellule est riche en ADN (phase G2) plus elle fluoresce. Le signal est enregistré et retracé sous différentes formes par exemple par le graphe du nombre de cellules en fonction de la quantité d’ADN

Nombre de cellules en fonction de la quantité d’ADN :

  • Pic 1 : débris de cellules

  • Pic 2 : cellules en G1

  • Pic 3 : cellules en G2

  • Entre les pics 2 et 3 : cellules en phase S de contenu d’ADN variable en fonction de l’avancement de la synthèse d’ADN



Le pic 1 est le plus élevé, la culture présente donc majoritairement des cellules en phase G1. On en déduit que cette phase est la plus longue.

Pour une culture de cellules asynchrones, le nombre de cellules dans une phase est proportionnel à la durée de cette phase

B) L'interphase



La période entre deux phases M s'appelle l'interphase pendant laquelle la cellule grandit en taille. L'interphase comprend 3 phases :

  • La phase G1 (pour Gap1, ou intervalle) située entre la fin de la phase M et le début de la phase S.

  • La phase S qui correspond à la réplication de l'ADN qui est un prérequis indispensable à la division. La phase S est encadrée par deux phases G1 et G2

  • La phase G2 entre la fin de la phase S et le début de la phase M.



Pendant les phases G1 et G2 la cellule croit et duplique ses organites.

L'interphase représente généralement 90% de la durée totale du cycle.

1) La phase G1 ( = Gap 1 )



La quantité d'ADN reste stable (2n = 46 molécules d'ADN). La taille de la cellule augmente jusqu'à une taille critique (entrée possible en phase S). Sa durée est variable.

Certaines cellules peuvent entrer dans un état quiescent : G0 (lorsque G1 est très longue) mais pouvant s'engager dans le cycle si elles reçoivent des signaux de division (ex : cellules souches hématopoïétiques)

2) La phase S ( = Synthèse )



C'est la phase de synthèse d'ADN : on passe de 2n à 4n. En début de phase S, les cellules possèdent un chromosome de chaque paire pour arriver, en fin de phase S à un chromosome de chaque paire à 2 chromatides (reliées par le centromère).

3) La phase G2 ( = Gap 2 )



La quantité d'ADN après la réplication est de 4n. Durant cette phase, on a une production d'enzymes et de facteurs de régulation. Certains types cellulaires sont bloqués à cette phase, comme les cellules basales de l'épiderme pour une réparation cutanée rapide.

C) La mitose



L'événement le plus spectaculaire au microscope est la MITOSE correspond à la phase M qui comprend la division du noyau et la séparation en deux cellules filles appelées cytodiérèse.

Phase M = Mitose + Cytodiérèse

Au moment où commence la mitose chaque chromosome a été dupliqué et il est sous forme de deux chromatides soeurs accolées étroitement.

5 phases succéssives : P-M-A-T (Prophase, Métaphase, Anaphase, Télophase).

1) La prophase



Rappel : vers la fin de la phase S la cellule duplique son centrosome (à côté du noyau).

Au début de la Prophase, les deux centrosomes fils se séparent et se déplacent aux deux pôles opposées de la cellule entourés par des MAP motrices (consommation d'ATP).

Chaque centrosome (appelé aster) organise dans son propre réseau de microtubules et les deux jeux de microtubules vont interagie pour former le fuseau mitotique.

Les microtubules qui irradient le centrosome se polymérisent et se dépolymérisent continuellement (instabilité dynamique : cf cours sur le cytosquelette) à un rythme plus rapide que pendant l'Interphase.

Les microtubules s'étendent au début dans toutes les directions puis certains issus de centrosomes opposés interagissent entre eux pour former la charpente de tissu du fuseau mitotique.

Ils sont appelés microtubules polaires.

Cycle cellulaire
Cycle cellulaire


2) La pré-métaphase



Débute avec le désassemblage de l'enveloppe nucléaire qui se morcelle en petites vésicules.

Les microtubules ont accès aux chromosomes.

Une partie de ces microtubules dis kinétochoriens se lient aux chromosomes par l'intermédiaire des kinétochores.

Chaque chromosome dupliqué est relié à chaque centrosome par des microtubules qui se font face.

Cycle cellulaire
Cycle cellulaire


3) La métaphase



Les chromosomes attachés au fuseau se déplacent et s'alignent à mi-chemin entre les deux pôles sur un cercle : la plaque équatoriale, et sont soumis à des forces de traction continues de part et d'autre.

Cycle cellulaire
Cycle cellulaire


4) L'anaphase



Au début les connections entre les chromatides sœurs sont dégradées par des enzymes et chaque chromosome est tracté par ses microtubules qui se dépolymérisent (=> se raccourcir) vers chaque pôle de la cellule (=> deux jeux identiques de chromosomes aux deux extrémités du fuseau).

Dans le même temps, les pôles du fuseau s'écartent grâce à la croissance des microtubules polaires qui se polymérisent et à la croissance des autres microtubules reliés au centrosome.

Cycle cellulaire
Cycle cellulaire


5) La télophase



L'enveloppe nucléaire se reforme grâce :

  • déphosphorylation des lamines

  • assemblage des vésicules (venant du RE)

  • reconstitution des pores.



Les chromosomes se décondensent, la transcription peut reprendre.

Cycle cellulaire
Cycle cellulaire


6) La cytodiérèse



Débute à l'anaphase par le creusement d'un sillon de clivage perpendiculaire au grand axe du fuseau au niveau de l'équateur de la cellule parentale.

Formation de deux cellules de taille égale (dans la plupart des cas).

Conduit par l'anneau contractile (qui comprend actine et myosine attachées à des protéines situées à la face cytoplasmique de la membrane).

Il devient de plus en plus petit à mesure que la cellule progresse.

Se désassemble quand la cellule est clivée en 2.

Cycle cellulaire
Cycle cellulaire

Cellules au microscope en cours de division cellulaire
Cellules au microscope en cours de division cellulaire


D) Contrôle du cycle cellulaire



1) Principaux acteurs du contrôle



Au terme de chaque étape du cycle, la cellule peut poursuivre sa progression, ou s'arrêter. Les transitions entre les différentes phases sont controlées par des variations d'activité de complexe kinase (activité sérine et thréonine). Ce complexe est constitué par deux protéines clés, deux sous-unités :

  • une sous unité catalytique = cdk (cyclin dependant kinase)

  • une sous unité régulatrice = cycline



La concentration de cdk est constante au cours du cycle. Les cdk ne sont actives (c'est à dire, capable de phosphoryler les protéines cibles) que lorsqu'elles sont associées à des cyclines. La concentration des cyclines varie au cours du cycle (d'où leur nom !).

Concentration en cycline au long du cycle cellulaire
La concentration en cycline est maximale en phase M


Prix Nobel 2001 pour leurs découvertes concernant « la régulation du cycle cellulaire » :
R. Timothy (Tim) Hunt (cyclines)
Paul M. Nurse (cdk)
Leland H. Hartwell (checkpoint)

2) Les points de contrôle



Entre des différentes étapes se situent des points de contrôleou check point qui ont pour but de vérifier :

  • Point G1/S :



    • que la taille de la cellule est optimale avant la division

    • que l'ADN n'est pas endommagé

    • autoriser ou non la poursuite de la duplication de l'ADN.



  • Point G2/M :



    • L'intégrité de la transmission de l'ADN de la cellule mère vers les filles.



  • Signaux extérieurs provenant d'autres cellules contrôlent le cycle au niveau de ces points et peuvent ainsi :



    • stimuler

    • inhiber la division cellulaire




Cycle cellulaire
Cycle cellulaire


3) Notions générales : kinases et cyclines



Le cycle est régi par des phénomènes biochimiques faisant intervenir deux familles de protéines clés :

  • les protéines kinases cycline-dépendantes

  • les cyclines



1. Les kinases



Responsables de la phosphorylation (addition d'un phosphate) du OH d'une sérine et/ou d'une thréonine d'une protéine : Sérine/thréonine kinase (cycle cellulaire).

Les protéines kinases du cycle sont présentes tout au long du cycle, ne sont activées qu'au moment approprié de façon cyclique, puis sont désactivées.

Leur activation dépend de leur état de phosphorylation/déphosphorylation contrôlé par d'autres enzymes (autres kinases ou phosphatases).

2. Les cyclines



On distingue les cyclines mitotiques qui agissent en G2, se fixent à une kinase pour former le MPF et sont nécessaires à l’entrée en Mitose, et les cyclines G1 nécessaires pour l’entrée en phase S, se fixent à une kinase pour former le SPF.

Les cyclines sont synthétisées et dégradées à chaque cycle, leur assemblage, activation, désassemblage en complexe cycline-Cdk permettent le contrôle du cycle de division de la cellule.

4) Les facteurs inducteurs de la mitose



Il existe dans la cellule une activité biologique capable de déclencher la mitose : MPF (Mitosis Promoting Factor) qui n'est retrouvée que pendant la mitose.

Le MPF va coordonner à son tour les évènements mitotiques par son activité kinase :

  • phosphorylation des molécules de lamines (sérine) à désassemblage de la lamina nucléaire

  • Phosphorylation histone H1 à condensation de l’ADN

  • Phosphorylation de protéines associées aux microtubules à dynamique de formation du fuseau mitotique

  • Phosphorylation de la chaîne légère de myosine à inhibition da l’activité ATPase, inhibition association avec actine.



Le MPF a aussi des effets indirects : Activation de cascades de kinases, désagrégation réticulum endoplasmique et de golgi. On ne connaît pas tous les substrats de MPF.

Puis en fin de mitose, la cycline B est dégradée et le MPF devient passif. Des phosphatases prennent le relais :

  • Déphosphorylation de la chaîne légère de myosine en fin d’anaphaseà cytodiérèse

  • Déphosphorylation de lamines à formation de l’enveloppe nucléaire



5) Régulation de l'activité des complexes



L'activité des complexes cycline/cdk subit des variation par :

  • dégradation des cyclines

  • phosphorylation des cdk

  • les cki



1. Régulation par dégradation des cyclines



Les cyclines ne sont présentes qu'à certains moments du cycle. Les cyclines présentes à un moment donné dans le cycle vont favoriser :

  • l'expression des cyclines de la phase suivante en stimulant la transcription de leur ARNm

  • la dégradation des cyclines de la phase précédente



La dégradation des cyclines fait intervenir une "boite de destruction" qui fixe des ubiquitines sur les cyclines qui seront alors reconnues par le protéasome et dégradées.

La dégradation des cyclines conduit à l'inactivation du complexe cycline/cdk :

Fonctionnement du complexe cycline B/cdk 1

Concentration en MPF, cycline et CDK au cours du cycle cellulaire
Concentration en MPF, cycline et CDK au cours du cycle cellulaire


2. Régulation par phosphorylation du cdk



Des protéines qui déphosphorylent (cdc25 est une phosphatase, elle déphosphoryle donc active) ou phosphorylent (CAK, WEE-1) les cdk pour compléter le contrôle de leur activité.

Les (dé)phosphorylations induisent un changement de conformation de cdk.

3. Régulation par cki (cycline kinase inhibitor)



La régulation inhibitrice de l'activité des hétérodimères est aussi sous contrôle de protéines inhibitrices : les cki. Il y en a 3 principales : p16, p21 et p53.

p16 : famille de cki la plus connue. Elle se lie à cdk16 et cdk4 de façon compétitive par rapport à la cycline D. Son activation provoque l'arrêt du cycle en fin G1.

p21 : se lie à de nombreux complexes et inhibe leur activité kinase (phosphorylation). C'est un inhibiteur universel des complexes cdk/cycline très puissant. Il est sous contrôle de p53.

p53 : le gène p53 code pour une phosphoprotéine nucléaire, la protéine est un facteur de transcription dans toutes les cellules normalement sous forme inactive et à un taux faible. Activité par stress cellulaire (UV, rayons X, hypoxie...) par modification de sa conformation qui entraine une augmentation de sa demi vie et donc son accumulation nucléaire. Cette accumulation va induire son activité de facteur de transcription. Elle a deux effets :

  • blocage transitoire du cycle par activation de la transcription du gène p21 (réparation des dommages de la cellule)

  • blocage définitif du cycle cellulaire et mort cellulaire par apoptose si lésions très importantes.



6) D'autres complexes cycline-cdk déclenchent des étapes différentes du cycle cellulaire



En fait, il existe toute une famille de cdk1, 2 à 6, qui associent de façon variable aux cyclines, selon le temps de la division cellulaire. Elles sont synthétisées à des moments différents du cycle cellulaire, se lient à des kinases spécifiques et permettent ainsi la progression du cycle cellulaire et sont dégradés lors de la fin de leur activité par le protéasome.

Cycle cellulaire : cycline
Cycline dans le cycle cellulaire


1. Cyclines mitotiques



A coté de la cycline B, la cycline A est synthétisée avant la phase S et est dégradée lors de la métaphase.

2. Cyclines de G1



Elle contrôle l'activation en complexes cycline-cdk de la phase S et amènent la cellule à la phase S

La cycline Dse lie avec le cdk4 et cdk6.

Joue un rôle essentiel pour la progression du cycle cellulaire à travers la jonction G1/S inexistante au début de la phase G1, elle apparaît dans le noyau au milieu de la G1, et disparaît juste avant le déclenchement de la phase S. C'est sous l'effet des facteurs de croissance issus de l'exterieur et émis par d'autres cellules et après transmission du signal que la cycline D se lie à la cdk4.

La cycline E apparaît aussi comme une cycline de la phase G1 mais ne disparaît pas totalement, elle s'associe avec la cdk2 qui est une kinase des histones.

3. Les inhibiteurs des cdk



Il existe des familles de molécules capables d'inhiber les cdk et de bloquer la progression dans le cycle.

Exemple : Bloquage dans le cycle en phase G1

Se déroule si l'ADN est endommagé Þaugmentation de l'activité et de la concentration de p53, cette protéine agit dans le noyau et stimule la transcription du gène codant pour une protéine inhibitrice p21 qui empêche le complexe cdk-cycline responsable de l'entrée en phase S d'être activé, ce qui donne à la cellule le temps de répare l'ADN endommagé. P53 est mutée et inactive dans certains cancers. La perte de ce point de contrôle G1/S contribue au fait que la cellule cancéreuse se divise de façon anarchique.

Cycle cellulaire
Cycle cellulaire


7) Sortie du cycle



Si la cellule ne perçoit pas ces signaux extérieurs qu'elle doit se diviser, elle s'arrête au point de contrôle G1 et passe en phase dite G0.

Pendant cette phase, les cdk disparaissent.

La phase G0 peut durer des années.

Le point de contrôle G1 est de ce fait souvent appelé départ car c'est par ce point que la cellule passera pour passer de la phase G0 et rentrer à nouveau dans le cycle.

E) Contrôle du nombre de cellules dans un organisme pluricellulaire



Le nombre de cellules d'un organisme vivant dépend d'un système de contrôle précis.

La dérégulation de ce système peut conduire à une prolifération cellulaire anormale de type cancer.

Les bactéries se divisent rapidement et leur taux de croissance ne dépend que des possibilités nutritives du milieu extérieur.

Les cellules des organismes pluricellulaires répondent à des stimuli extérieurs comme des facteurs de croissancequi vont surmonter les mécanismes de freinage mis en place par la cellule pour éviter une prolifération anarchique.

1) La protéine Rb



Exemple de mécanismes de freinage : la protéine Rb (Retinoblast :tumeur oculaire de l'enfant).

En l'absence de facteurs de croissance la protéine Rb se lie aux facteurs de transcription E2F et l'inhibe.

En présence de facteurs de croissance, Rb est phosphorylée : libère E2F => se fixe sur les régions promotrices du gène de la cycline E et stimule sa transcription.

Après la synthèse de la cycline E le complexe cycline E/cdk 2 se forme.

Ce nouveau complexe a lui aussi pour protéine cible la protéine Rb qu'il phosphoryle.

Il commande donc par boucle de rétro-activation l'amplification de la synthèse de sa propre cycline.

Lorsqu'elle est hyperphosphorylée, Rb libère le facteur E2F qui stimule alors la transcription du gène de la cycline suivante, la cycline A.

Le complexe cycline A/cdk2 se forme et active la réplication de l'ADN, la phase S commence.

Cycle cellulaire
Cycle cellulaire


2) Les inhibiteurs des cdk (cki)



Il existe des familles de molécules capables d'inhiber les cdk (=cki) et de bloquer la progression du cycle.

Les cki s'associent avec le complexe cdk/cycline et l'inhibent.

Elles peuvent bloquer le cycle cellulaire au début ou au cours d'une phase.

2 groupes :

  • la famille des Ink4 (Inhibitor)

  • la famille Cip/Kip



L'intervention des cki permet de comprendre comment les signaux extra et intracellulaires régulent la progression du cycle cellulaire.

Les cki sont des « suppresseurs de tumeurs ».

Lien entre le cycle et le développement des tumeurs.

Exemple : blocage du cycle en phase G1 par P53.

Si l'ADN est endommagé : la lésion de l'ADN entraîne une augmentation de l'activité et de la concentration de P53 (protéine, facteur de transcription) P53 agit dans le noyau, entraînent la transcription du gène codant pour une protéine inhibitrice P21 qui empêche le complexe cdk4-cycline D (responsable de l'entrée en phase S) d'être activé => la cellule a le temps de réparer l'ADN lésé.

F) Cycle cellulaire et vieillissement



Nos cycles cellulaires sont-ils comptés ? Il a été montré in vitro que les cellules de peuvent exécuter qu'un nombre limité de cycles après lesquels elles restent viables mais ne se divisent plus.

C'est la sénescence réplicative : modification morphologique (augmentation de la taille des cellules et du noyau) et expression génique (induction de p16 et activation de p53).

Dans les cellules sénescentes, p53 est activé et les niveaux de p16 et p21 sont élevés, le cycle est bloqué en G1.

Un autre marqueur de l'état de sénescence est l'induction de la SA-béta-galactosidase (Senescence Associated).

Les télomères et le vieillissement des cellules

Les extrémités des chromosomes (les télomères) se raccourcissent avec l'âge. Ils sont constitués de la séquence TTAGGG répétée des milliers de fois et de protéines spécifiques liées. A chaque réplication, une zone terminale d'ADN n'est pas répliquée, et entraîne un raccourcissement des chromosomes (une perte d'environ 100paires de bases par cycle).

La présence de télomères raccourcis conduit à l'induction de p16 et à l'activation de p53 qui va bloquer le cycle et conduire à la sénescence réplicative.

La plupart des cellules de tissus humains adultes réalisent au plus 100 divisions in vitro. Les cellules de lignée germinale ont un potentiel prolifératif théoriquement illimité car elles expriment une télomérase qui compense le raccourcissement des télomères. Cette enzyme se fixe sur les extrémités des chromosomes et synthétise de l'ADN. Elle est constituée d'une transcriptase inverse et d'un ARN complémentaire de la séquence télomèrique. Cette enzyme est très exprimée lors de l'embryogénèse. Elle ne persiste chez l'adulte que dans les cellules souches et germinales.

G) Cycle cellulaire et Cancer



Dans 90% des tumeurs, la télomérase est réactivée : la sénescence est donc un obstacle au développement de cancers. Lorsque la télomérase est inactivée in vitro, les cellules tumorales perdent leur immortalité.

Les cellules normales, sans télomérase, érodent leurs télomères puis p53 induit la sénescence, c'est la barrière p53-télomérique.

Des mutations qui inactivent p53 permettent aux cellules d'échapper à cette barrière. Le raccourcissement des télomères se poursuit avec risque de perte de gènes et accumulation de mutations qui aboutira à une mort cellulaire massive : c'est la deuxième barrière (crise).

La cellule tumorale surmonte ces deux barrières et acquiert l'immortalité et se multiplie sans obéir au contrôle du cycle.

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