Cours 5 : Méiose – Fécondation – Cycle biologique – Anomalies

chromosomiques

Introduction et rappel :

Chez les organismes eucaryotes, il existe deux types de divisions cellulaires : la mitose et la méiose.

La mitose concerne les cellules somatiques et assure la naissance de cellules identiques à la cellule mère lors de

la multiplication asexuée (elle conserve donc l'information génétique et assure la prolifération cellulaire). La mitose

intervient généralement sur des cellules diploïdes mais elle est aussi réalisée par des cellules haploïdes chez

certaines espèces (le champignon Sordaria macrospora, la laitue de mer…).

Les cellules somatiques possèdent deux exemplaires de chromosomes : les chromosomes identiques sont dits

homologues et sont organisés par paire ; la cellule est diploïde.

Les cellules sexuelles (germinales) ne présentent qu’un seul exemplaire de chaque chromosome : la cellule est

haploïde.

Différences entre mitose et méiose :

La méiose aboutit à la production de cellules sexuelles haploïdes (ou gamètes) pour la reproduction. Chez les

animaux, la méiose est un processus se déroulant durant la gamétogénèse (spermatogenèse ou ovogenèse), c'est-à-

dire durant l'élaboration des gamètes (les spermatozoïdes chez le mâle et les ovules chez la femelle) chez les

espèces diploïdes.

En plus du rôle de division, la méiose a un rôle dans le brassage génétique (mélange des gènes) et ce, grâce à

deux mécanismes de recombinaison génétique : le brassage inter-chromosomique et le brassage intra-

chromosomique.

La méiose se déroule en plusieurs étapes formant un ensemble de deux divisions cellulaires, successives et

inséparables. La première division méiotique est dite réductionnelle car elle permet de passer de 2n chromosomes

doubles à n chromosomes doubles (= séparation des chromosomes homologues). La seconde est dite équationnelle

car elle conserve le nombre de chromosomes : on passe de n chromosomes doubles à n chromosomes simples (=

séparation des chromatides). La méiose permet ainsi la formation de 4 cellules filles haploïdes (ou gamètes).

On commencera par décrire toutes les phases de la méiose et des brassages génétiques correspondants. Parce

que la prépondérance des phases haploïde et diploïde est variable entre les espèces, nous détaillerons ensuite

différents cas de cycle biologique (Partie 2). Dans une 3ème partie, on s’intéressera plus spécifiquement, aux

anomalies chromosomiques et pathologies associées.

Partie 1 : La méiose et la fécondation sont à la base des cycles de

reproduction sexuée

Deux animations pour illustrer la méiose :

- Une simple : http://www.biologieenflash.net/animation.php?ref=bio-0051-2

- Une complexe (qui montre les conséquences génétique de la méiose) :

http://www.snv.jussieu.fr/bmedia/Meiose/Meiose_fichiers/Meiose3.swf

I- Les étapes de la méiose et leur brassage génétique

a- Méiose 1 ou division réductionnelle

La méiose 1 est précédée par une interphase au cours de laquelle chacun des chromosomes se réplique et se

retrouve constitué de deux chromatides-sœurs, parfaites copies l'une de l'autre.

La première division de la méiose permet la réduction chromatique (réduction du nombre de chromosomes :

passage de 2n à n) par séparation des chromosomes homologues. Elle est constitué de 4 phases d'une division

cellulaire avec quelques caractéristiques en plus propre à la méiose 1.

La prophase 1 :

L'enveloppe nucléaire se fragmente et disparaît. Les chromosomes commencent à se condenser. Le fuseau

méiotique se forme. Les chromosomes homologues s'apparient (= s'associent) deux à deux pour former n tétrades

(ou bivalents) = complexes de 4 chromatides. Chaque chromosome bivalent contient un chromosome paternel et

maternel. C'est la phase la plus longue de la méiose. Les chromatides homologues se croisent en plusieurs endroits

et forment des chiasmata (points de chevauchement de deux chromatides). Il y a alors possibilité d'échanges de

fragments de chromatides entre chromatides homologues. Ce phénomène, appelé crossing over, est à l'origine du

brassage intrachromosomique se produisant en prophase 1 de méiose. Il permet une recombinaison des allèles

entre chromosomes homologues, c'est à dire une répartition nouvelle des allèles sur un chromosome. Les

chromatides sœurs ne portent plus les mêmes allèles. On parle de chromosomes recombinés, c'est à dire des

chromosomes possédant des informations maternelles et paternelles. Ce phénomène augmente la diversité des

gamètes produits dans le cas de génotype hétérozygote.

Exemple de crossing over (ou recombinaison homologue) entre deux chromosomes homologues maternel et paternel

A ne pas connaître : La prophase I est divisée en cinq étapes qui correspondent à cinq états caractéristiques de

la chromatine :

- leptotène : les chromosomes se condensent. Les télomères s’attachent à l’enveloppe nucléaire.

- zygotène : appariement des chromosomes homologues via un complexe synaptonémal (qui est composé de

protéines et enzymes, qui forment les éléments latéraux et l’élément central). L'appariement des

chromatides homologues démarre sur l'enveloppe nucléaire et progresse le long des chromosomes «

comme une fermeture éclair ». Il y a donc formation des bivalents (ou tétrades).

- pachytène : au niveau central du complexe synaptonémal, des protéines (qui constituent les nodules de

recombinaison) effectuent les enjambements (2-3/ chromosome).

- diplotène : disparition du complexe synaptonémal. Séparation des chromosomes homologues sauf au niveau

des chiasmata entre les chromatides. Décondensation et forte transcription.

- diacinèse : Recondensation de la chromatine. Détachement des télomères. A la fin, rupture de l’enveloppe

nucléaire.

le crossing-over (ou enjambement): échange réciproque d'une portion de chromatide entre deux chromosomes

homologues.

le chiasma (pluriel : chiasmata) : c’est l’entrecroisement observé de deux chromatides. C’est au niveau des

chiasmata que se font les crossing-over.

La métaphase 1 :

Les bivalents fixés aux microtubules kinétochoriens s'alignent sur le plan équatorial (formant la plaque

équatoriale). Les chiasmata (singulier : chiasma) sont alignés et les centromères de chaque bivalent se retrouvent de

part et d'autre du plan équatorial.

L'anaphase 1 :

Les chromosomes homologues, dirigés par les fibres du fuseau, se séparent. Chacun migre vers un pôle de la

cellule emportant ses deux chromatides sœurs. Il n'y a pas ici de division des centromères. Au cours de l'anaphase 1

se produit le brassage interchromosomique. Il est dû à la répartition aléatoire et indépendante des chromosomes, il

dépend du positionnement des chromosomes bivalents en métaphase 1. En effet, chaque paire se positionne sur le

plan équatorial indépendamment des autres paires. Il se forme à chaque pôle de la cellule un assortiment aléatoire

de chromosomes maternels et paternels. Vu qu’il y a 23 paires de chromosomes chez la femme et l’homme, le

brassage interchromosomique permet la formation de 223 gamètes (8,3 millions) avec une répartition différente des

chromosomes maternels et paternels. C'est d'ailleurs au cours de ce brassage que peuvent avoir lieu des erreurs de

répartition des chromosomes (voir plus tard).

La télophase 1 + cytocinèse :

Deux lots haploïdes de chromosomes à deux chromatides sont disposés à chaque pôle de la cellule. Les

nucléoles et les membranes nucléaires se reforment. Les chromosomes se décondensent. La cytocinèse se termine

avec la première division nucléaire et permet la formation de deux cellules filles possédant chacune un lot haploïde

de chromosomes bichromatidiens.

Attention : Il y a plusieurs possibilités de cellules filles suivant que le brassage intrachromosomique (crossing-

over) ait eu lieu et suivant également le brassage interchromosomique. On dit que chaque cellule issue de la méiose

1 et s'apprêtant en entrer en méiose 2 possède une association de chromosomes unique.

b- Méiose 2 ou division équationnelle :

Prophase II Métaphase II Anaphase II Télophase II (+ cytodiérèse)

La deuxième division de la méiose permet la séparation des chromatides sœurs. Elle est semblable à une mitose

avec quelques particularités :

- elle n'est pas précédée d'une réplication de l'ADN

- les chromatides sœurs ne sont pas forcément génétiquement identiques à cause des crossing-over (brassage

intrachromosomique).

Détais de la Méiose 2 :

Prophase II :

Cette phase est identique à la prophase I mais elle est plus brève car les chromosomes sont restés compactés.

phase, une séparation des centrosomes s'effectue. Ainsi, 2 centrosomes génèrent des fuseaux de fibres entre eux et

s'éloignent l'un de l'autre. Les microtubules kinétochoriens s'attachent au kinétochores, à raison d'un kinétochore

par chromatide, de part et d'autre du centromère (de manière à séparer les chromatides).

Métaphase II :

Les chromosomes se placent sur la plaque équatoriale par leur centromère. Leur condensation est maximale.

Anaphase II :

Les chromatides sœurs de chaque chromosome se séparent après rupture au niveau du centromère et migrent

vers les pôles opposés de la cellule tirés par les microtubules. Durant cette phase, les microtubules du fuseau de

division tirent les chromatides sœurs vers les pôles opposées de la cellule.

Télophase II + cytodiérèse :

Durant cette phase, l'enveloppe nucléaire se reforme autour des chromosomes individuels et le sillon de division

sépare la cellule en deux. Puisque la première division de méiose a produit deux cellules, il y a, en télophase II de

méiose, quatre cellules. Les quatre cellules haploïdes issues de la méiose possèdent n chromosomes simples.

Ainsi, la division équationnelle divise par deux : le nombre total d'allèles par chromosome (et par cellule), la

quantité d'ADN par chromosome (et par cellule) et le nombre de nucléofilaments par chromosomes (et par cellules).

(Graphique à connaître)

Bilan

La méiose permet :

– de réduire de moitié le contenu génétique d'une cellule (2n ==> n)

– de brasser l'information génétique (recombinaisons et répartition au hasard des chromosomes)

– et de transmettre l'information génétique à la génération suivante (2 gamètes à 23 chromosomes reconstituent une cellule à 46 chromosomes).

II- La fécondation rétablit la diploïdie et assure un nouveau brassage allélique

Du point de vue chromosomique, la fécondation est universellement l'union des noyaux haploïdes de deux

gamètes pour former le noyau diploïde de la cellule œuf (ou zygote). Ainsi, la fécondation est le résultat de l'union

du matériel génétique de deux cellules reproductrices mâles et femelles. Chaque cellule a subit les brassages

intrachromosomiques puis interchromosomiques au cours de leurs méioses 1 respectives. Les associations alléliques

obtenues à l'issue de chaque méiose sont uniques et le résultat de la fusion de ces noyaux gamétiques lors de la

fécondation en est encore plus unique.

Aux recombinaisons intra-chromosomiques (Prophase 1 de méiose, crossing-over) et aux recombinaisons inter-

chromosomiques (Anaphase 1 de méiose, séparation aléatoire des chromosomes), s’ajoute, la rencontre au hasard

des gamètes lors de la fécondation.

Sachant qu’il y a que chez l'homme et la femme il y a 23 paires de chromosomes, ce qui fait 223 possibilités soit

plus de 8 millions de gamètes différents chacun. Combien de combinaisons génétiques différentes peut-on obtenir

au cours d’une fécondation ? Chez l’humain :

8 388 608 combinaisons x 8 388 608 combinaisons 8x106 x 8x106 = 64 000x109 de combinaisons génétiques possibles

Un homme et une femme peuvent donc réaliser plus de 64 000 milliards de combinaisons génétiques différentes à chaque fécondation !

Chaque être vivant obtenu par fécondation entre deux individus donnés est donc le résultat de deux méioses

uniques et d'une fécondation également unique d'un point de vue statistique. Attention, l'existence de deux êtres

vivants d'un génotype identique obtenus par des mécanismes de reproduction sexuée chez les deux mêmes parents

est donc un évènement théoriquement possible mais statistiquement d'une probabilité infiniment faible.

Vrais jumeaux (jumeaux monozygotes) = proviennent de la division d'un œuf fécondé unique

Faux jumeaux (jumeaux dizygotes) = proviennent de deux ovules fécondés par 2 spermatozoïdes

a- Chez les mammifères

Les mammifères forment une classe d’animaux homéothermes (température constante, régulée), regroupant

environ 5.400 espèces. Ce taxon monophylétique se caractérise notamment par la présence de poils, de mamelles

chez les femelles permettant l’allaitement des petits, mais aussi par l’articulation de la mandibule, une

respiration de type pulmonaire, un système nerveux complexe…

Chez tous les mammifères, les modalités de la fécondation sont très comparables.

Les spermatozoïdes, cellules mobiles, entourent l'ovocyte (le futur ovule n'a pas encore achevé sa méiose,

bloqué en métaphase 2). L'entrée d'un spermatozoïde déclenche la reprise de cette méiose.

Dans les heures qui suivent, les deux noyaux haploïdes, mâle et femelle, souvent appelés pronucléus, se

rapprochent et fusionnent : c'est la caryogamie qui forme le noyau diploïde de la cellule œuf.

Divers processus dont la formation immédiate d'une membrane de fécondation imperméable (grâce à la

réaction corticale) aux autres spermatozoïdes (blocage de la polyspermie), empêchent la fécondation de l'ovule par

plusieurs spermatozoïdes (si tel est le cas, le caryotype anormal ainsi constitué n'aboutit jamais à la formation d'un

organisme viable). La fécondation chez les humains sera étudiée en détail dans un cours ultérieur.

b- Chez Sordaria macrospora

Sordaria macrospora est un champignon (Ascomycète) qui possède 7 chromosomes.

On observe la fusion de deux filaments et le passage des noyaux de l'un des filaments vers l'autre filament. Les

noyaux cellulaires haploïdes s'unissent deux à deux et finissent par fusionner, formant ainsi des cellules oeufs

diploïdes.

Le filament qui donne ces noyaux est considéré comme mâle et le filament qui les reçoit comme femelle. Les

cellules qui participent à cette fécondation sont donc l'équivalent des gamètes.

Même si les aspects semblent différent de la fécondation des mammifères, le processus est fondamentalement

le même.

c- La fécondation entre différentes espèces

La fécondation n'est possible qu'entre gamètes de la même espèce (sauf quelques exceptions (qui sont qualifiés

d’hydrides) qui entraînent des individus stériles) : la reproduction sexuée maintient une barrière entre les caryotypes

des différentes espèces et participent ainsi à la stabilité de l'espèce. On parle de compatibilité des gamètes (au

niveau des récepteurs membranaires).

Exemples d’hybrides : bardot/bardine (ânesse × cheval), mulet/mule (âne × jument), tigron (lionne x tigre)…