LA MÉCANIQUE DE LA DIVISION CELLULAIRE. 2 Plan I - Vue générale de la phase M II - Mitose III -...

LA MÉCANIQUE DE LA DIVISION CELLULAIRE

2

Plan

I - Vue générale de la phase M

II - Mitose

III - Cytocinèse

II – Mitose

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Mitose : fuseau mitotique

• Émanation du cytosquelette : microtubules + protéines associées

• Séparation des chromosomes filles vers les pôles

• Ecartement des pôles

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2 événements

• Fuseau : dans le cytoplasme

• Condensation des chromosomes : dans le noyau

• Prométaphase : mélange des deux compartiments

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Les microtubules

• Capturent les chromosomes• Intervention des moteurs

– Proches des extrémités des microtubules– Famille des kinésines ( extrémité +)– Famille des dynéines ( extrémité -)

• Extrémités des microtubules– Site d’assemblage et de désassemblage des microtubules– Lieu de production de force

• Fuseau– Équilibre entre les deux forces opposées (moteurs + et

moteurs -)

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Les trois classes de microtubules

– MT astraux• Irradient dans toutes les directions• Séparation des pôles

– Poignées d’orientation et de positionnement du fuseau dans la cellule

– MT du kinétochore• Liés au kinétochore• Fixent les chromosomes au fuseau

– MT chevauchant (polaires)• Symétrie bipolaire du fuseau

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Fig 18-10

• Les trois classes de microtubules– MT astraux– MT du

kinétochore– MT chevauchant

(polaires)

• Toutes les extrémités – sont vers le centrosome

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Rappel sur les microtubules interphasiques

• Réseau de microtubules émanant du centrosome

• Instabilité dynamique• Croissance raccourcissement = catastrophe• Raccourcissement Croissance = restauration

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Plan

A. Prophase1. Modification de la stabilité des microtubules :

équilibre MAPs catastrophines2. Assemblage du fuseau :

équilibre moteurs à direction + moteurs à direction -

B. PrométaphaseC. MétaphaseD. AnaphaseE. Télophase

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A – Prophase

1. Modification de la stabilité des microtubules : équilibre MAPs catastrophines

2. Assemblage du fuseau :équilibre moteurs à direction + moteurs à direction -

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1 - Modification de la stabilité des microtubules : équilibre

MAPs catastrophines

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Changement brutal des microtubules en prophase : le constat

• Longs et peu nombreux (interphase) • Plus nombreux et plus courts

• Effondrement de la demi-vie des microtubules

• Augmentation de l’instabilité des microtubules

• Augmentation du nombre de microtubules irradiant du centrosome– Par modification des centrosomes qui

augmentent leur taux de nucléation

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Fig 18-11

• Les microtubules mitotiques sont différents des microtubules interphasiques

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Protocole d’étude• Cellule en culture (lignée PTK1 et

BSC) injectée avec tubuline-fluorochrome (dichlorotriazinyl-aminofluorescein (DTAF-tubulin))

• Irradiation avec un rayon laser d’une petite surface jusqu'à extinction de la fluorescence

• Evaluation de la réapparition de la fluorescence en fonction du temps

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Saxton, WM J Cell Biol 99:2175, 1984

• FIGURE 8 Comparison of FRAP rates for a metaphase and an interphase cell. Examples of relative fluorescence intensity plotted against time after photobleaching for a metaphase cell (●) and an interphase cell (○). Circles represent data points determined by microdensitometry of negatives. Lines represent best fitting curves using the function l/lmax = 1 – e –kt (30). The t½ for each curve is noted on the X axis.

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Changement brutal des microtubules en prophase : mécanisme de

déclenchement en début de mitose

• M-Cdk phosphoryle– Des moteurs protéiques– Des MAPs (Microtubule Associated Proteins) (leur

phosphorylation diminution de la stabilité des microtubules)

contrôle de la dynamique des microtubules• Démonstration par biochimie chez Xenopus

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Xenopus

• Extrait d’œuf de Xenopus en phase M ou en interphase +

• Centrosome + tubuline fluorescente • Nucléation des microtubules à partir des

centrosomes• (Analyse en vidéo microscopie à fluorescence «

time-lapse »)• Mais #1p1038

– Extraits mitotiques taux très élevé de catastrophes– Extraits interphasique taux plus bas de catastrophes

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Les catastrophines

• Protéines

• Augmentent la fréquence des catastrophes

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Les catastrophines

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Fig 16-55

• Kinésines et Kinesin-related proteins– KIF2

• moteur au milieu de la chaîne lourde

• pas d'activité moteur classique

• se lie aux extrémités des microtubules pour augmenter leur instabilité dynamique nom de catastrophine

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Antagonisme catastrophines / MAPs

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Antagonisme catastrophines / MAPs

• Microtubules plus dynamiques en phase M– Par action sur catastrophines et MAPs – Augmentation du taux de dépolymérisation des

microtubules (catastrophines)– Diminution du taux de dépolymérisation des

microtubules (MAPs)– Augmentation et diminution du taux de

dépolymérisation des microtubules

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Fig 18-12(A)

Contrôle de la longueur des microtubules par l'équilibre entre catastrophines et MAPs

Catastrophes avec extraits mitotiques > catastrophes avec extraits interphasiques

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Fig 18-12(B)

• Centrosomes et noyaux de spermatozoïdes dans des extraits mitotiques– Extraits mitotiques normaux

fuseau normal

– Déplétion en XMAP215 fuseau très anormal

– Probablement parce que les microtubules nucléés par les centrosomes sont trop courts

Mitose dans un extrait normal

Mitose dans un extrait dépléte en XMAP215

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Régis Tournebize, Andrei Popov, Kazuhisa Kinoshita, Anthony J. Ashford, Sonja Rybina, Andrei Pozniakovsky, Thomas U. Mayer, Claire E. Walczak, Eric Karsenti & Anthony A. Hyman Control of microtubule dynamics by the antagonistic activities of XMAP215 and XKCM1 in Xenopus egg extractsNature Cell Biology  2, 13 - 19 (2000)

Spindle formation observed in control and XMAP215-depleted extracts. Microtubule arrays are seen in control (left) and XMAP215-depleted (right) extracts 20 and 45 min after addition of sperm nuclei. Spindles are seen 45 min after sperm addition. Scale bar represents 10 µm.

Les fuseaux deviennent visibles 45 min après l’ajout des spermatozoïdes

20 mn 20 mn

45 mn45 mn

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2 - Assemblage du fuseau :équilibre moteurs à direction +

moteurs à direction –

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Propriétés des microtubules

• Si monomérique : le moteur se déplace• Si multimérique : liaison de 2

microtubules adjacents qui peuvent se déplacer l’un par rapport à l’autre– Génération de foyers à extrémités moins

pôles du fuseau– Glissement de microtubules

l’un par rapport à l’autre zone de chevauchement dansle fuseau

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Fig 18-13

• Importance des moteurs multimériques pour

– Assemblage– fonctionnement des microtubules

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Assemblage du fuseau = équilibre

• Croissance de microtubules à partir de chaque centrosome les microtubules ont des polarités opposées

• Association de moteurs à déplacement + – Écartent les centrosomes

• Des moteurs à déplacement - – Rapprochent les centrosomes

• Formation du fuseau = équilibre entre les deux

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Fig 18-14

Prophase : séparation des pôles du fuseau grâce à

• des moteurs + (kinésine): rencontre de deux microtubules polaires de polarité opposée

• des moteurs – (dynéine) associés à l’enveloppe nucléaire via les microtubules astraux

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Fig 18-14

Prophase : séparation des pôles du fuseau grâce à

• des moteurs + (kinésine): rencontre de deux microtubules polaires de polarité opposée

• des moteurs – (dynéine) associés à l’enveloppe nucléaire via les microtubules astraux

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Régulation de la longueur du fuseau : les moteurs du fuseau

• Vertébrés : 7 familles de moteur apparentés à la kinésine• S. cerevisiae : 5 familles de moteur

– Augmentation du moteur + fuseau anormalement long– Augmentation du moteur - fuseau anormalement court

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Fig 18-15

• L'influence de moteurs à sens de marche opposé sur la longueur du fuseau mitotique– Kar 3p : moteur vers -– Cin 8p : moteur vers +

Chez la levure il n’y a pas de rupture de l’enveloppe nucléaire pendant la mitose

FuseauPôles du fuseau

Normal moteur - fuseau court moteur + fuseau long

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Chez l’homme

• Probablement comme chez la levure• La phosphorylation d’au moins un

moteur par M-Cdk est nécessaire pour la fixation du moteur au fuseau

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B – Prométaphase

• Rupture soudaine de l’enveloppe nucléaire– Déclenchée par la phosphorylation directe

des lamines nucléaires par M-Cdk

• Les microtubules accèdent aux chromosomes pour la 1ère fois

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Conséquences

• Phénomène de « recherche et capture » des chromosomes par les microtubules

• Un microtubule qui rencontre un chromosome s’attache et se stabilise plus (zéro) de catastrophes

• Peut rencontrer un kinétochore :– S’attache par l’extrémité (bout + du

microtubule)– Le microtubule s’appelle alors

« microtubule du kinétochore »

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Fig 18-16

• Les microtubules du kinétochore

1 à 40 microtubules par kinétochore

ADN & les 2 kinétochores

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Les kinétochores

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Fig 18-19

• Microscopie électronique d'un kinétochore

Structure trilamellaire

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Kinétochore

• Rôle capital dans le mouvement des chromosomes sur le fuseau

• Contiennent des moteurs + et des moteurs –

• Mode d’attachement des microtubules aux kinétochores inconnu (d’autant plus que ce bout + se polymérise et se dépolymérise constamment)

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Kinétochore

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Microtubule Capture: A Concerted Effort Chitra Kotwaliwale and Sue

Biggins Cell, Volume 127, Issue 6 , 15 December 2006, Pages 1105-1108

• Attachement du kinétochore aux microtubules et sa régulation par Aurora B

• Le kinétochore – structure protéique qui se forme au contact de l’ADN centromérique-est composé de multiples protéines de liaison de faible affinité au microtubule. Alors que le complexe Ncd80 se lie à la charpente en réseau du microtubule, d’autres composants peuvent se lier à l’extrémité plus du microtubule.

• En réponse à des forces de tension, Aurora B phosphoryle les protéines de liaison au microtubule pour diminuer l’affinité de ces facteurs aux microtubules. Ceci conduit au détachement des microtubules des kinétochores. Des facteurs comme INCENP-survivine peuvent exercer de nombreuses fonctions au niveau du kinétochore. En plus de leur rôle de senseurs de tension régulés par Aurora B, ces molécules peuvent aussi promouvoir une activité de liaison au noyau du microtubule

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The kinetochore is a specialized chromosomal structure that facilitates chromosome attachment and movement along spindle microtubules during chromosome segregation. Furthermore, the kinetochore communicates the actual state of its interaction with the spindle to a cell cycle regulating machinery. It is the first member of a signaling cascade that inhibits sister chromatid separation (the beginning of anaphase) if chromosomes lack a stable bi-polar spindle attachment. A defect in this checkpoint function has been correlated to human cancers. My group analyses the protein composition and structure of the S. cerevisiae kinetochore by mass spectroscopy and the function of individual kinetochore proteins applying cell and molecular biological methods.

Kinétochore

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Kinétochore• Hierachical Structure

of the Yeast Kinetochore

• A small CEN DNA interacts with CBF3, an inner kinetochore complex that recruits

a specialized nucleosome. Together

these complexes recruit multiple

discrete protein complexes, ultimately

resulting in a large structure that mediates the

attachment and movement of

chromosomes on the mitotic spindle.

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Attachement des microtubules aux kinétochores

• Facile à observer dans les cellules de poumon de têtard

• Liaison par le côté du microtubule• Puis glissement rapide vers le centrosome• Puis l’attachement latéral est converti en

fixation par l’extrémité• En même temps attachement de l’autre

kinétochore par les microtubules du centrosome opposé

• Attachement bipolaire du chromosome

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Fig 18-17• Capture des microtubules par les kinétochores

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Constitution de la plaque métaphasique

• Les chromosomes sont tirés d’avant en arrière

• Position équidistante des pôles • Plaque métaphasique

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Fig 18-18

• Plaque métaphasique : chromosomes

• Kinétochores

• Microtubules5 m

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Plaque métaphasique

• Oscillation des chromosomes… • en attendant le signal de la séparation… • qui est le dernier signal négatif émis par le

dernier kinétochore

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C - Métaphase

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Fig 18-20

• Dynamique des microtubules du fuseau métaphasique– rhodamine - tubuline en rouge– colorant bleu pour l'ADN– Fluorescéine (caged) - tubuline en vert

10 m

1,5 mn

2,5 mn

Fluorescéine invisible parce que « cagée »

« décageage » de la fluorescéine par UV juste à gauche de la plaque métaphasique

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Fig 18-21

• Microscopie à fluorescence de microtubules isolés

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Fig 18-22

• Alignement des chromosomes sur la plaque métaphasique par des forces opposées

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Fig 18-23

• Assemblage du fuseau sans centrosome dans un embryon parthénogénétique d'insecte Sciara (absence d'aster)

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D - Anaphase

1. Anaphase A

2. Anaphase B

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Fig 18-24(A)

• Assemblage d'un fuseau bipolaire sans centrosome ni kinétochore– Billes

recouvertes d'ADN bactérien en présence d'extrait d'oeuf de Xenopus

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Fig 18-24(B)

• Assemblage d'un fuseau bipolaire sans centrosome ni kinétochore– Billes recouvertes d'ADN

bactérien en présence d'extrait d'oeuf de Xenopus

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Fig 18-25

• Séparation des chromatides en anaphase– Microtubules colorés

par des AC anti tubuline marqués à l'or

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Fig 18-25A

• Forces qui séparent les chromosomes en

anaphase A

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Fig 18-25B

• Forces qui séparent les

chromosomes en anaphase B

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Fig 18-27

• Deux modèles de migration du kinétochore vers le pôle pendant l'anaphase A

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Fig 18-28

• Diminution de la zone de chevauchement des microtubules chevauchant de la métaphase à l'anaphase chez les diatomés

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Fig 18-29

• Fonctionnement des moteurs protéiques pendant l'anaphase