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LE CYCLE CELLULAIRE

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Medecine Science 2001, 17

(11), 1226

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• Rudolf Virchow (1858)

Omni cellula e cellula

Théorie cellulaire

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Théorie cellulaire

• Toute cellule vient d'une cellule

• Tout animal vient d'un animal

• Toute plante vient d'une plante

• Continuité de la vie

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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

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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

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Fig 17-1

• Le cycle cellulaire d'une cellule eucaryote à deux chromosomes

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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

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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

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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

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I - Survol du cycle cellulaire

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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

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Fig 17-2

• Cycle de division cellulaire vu au microscope

• On voit la phase M

• Transition métaphase anaphase

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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

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Fig 17-3

• Les phases du cycle cellulaire

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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

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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

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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

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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

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Fig 17-4

• 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

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Fig 17-4

• 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

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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

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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

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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

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Fig 17-5

• Cycle cellulaire chez un mutant cdc thermo-sensible– A - On trouve toutes les phases du cycle– B - Le gène muté ne fonctionne plus mais la croissance

continue grosses cellules

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Fig 17-6

• Levure bourgeonnante bloquée par une mutation d'un gène cdc

– A - cellules normales

– B - mutation cdc 15 à température restrictive, les cellules vont jusqu'en anaphase puis se bloquent

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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

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Fig 17-7

• Œuf mature de Xenopus prêt à être fécondé

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Fig 17-8

• 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

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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

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Fig 17-9

• 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

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3 - Études sur cellules de mammifères en culture

• Cultures en boites de plastic

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Fig 17-10

• Fibroblastes de rat au MEB

• Cultures en boites de plastic

• Mais senescence et arrêt de cycle au bout de 25-40 divisions

• Lignées– immortelles– mais anormales

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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

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Fig 17-11

• 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)

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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.

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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

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Fig 17-12

• Cytomètre de flux– Beaucoup de cellules– Rapide– Durée de G1, S, G2+M– sur une population

synchrone

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Résumé

• 3 modèles différents– Levure– Embryon– Culture

• 3 approches différentes– Génétique– Biochimique– Cellule

• 3 types de résultats différents