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UNIVERSITE FERHAT ABBAS –SETIF 1
FACULTE DES SCIENCES DE LA NATURE ET DE LA
VIE
DEPARTEMENT DE BIOLOGIE ET ECOLOGIE
VEGETALES
Cour
Cytogénétique
A l’usage des étudiants de M2
Biodiversité et physiologie végétale
Elaboré par :
Dr AMOR Loubna
La chromatine
1. Définition
La chromatine (du grec Krôma, couleur) représente le contenu du noyau interphasique
fortement colorable.
• Elle représente une structure complexe constituée de protéines sur lesquels s’enroule
l'ADN.
• Elle est dynamique assurant la régulation de processus fondamentaux du noyau tels que
: la transcription, la réplication et la réparation de l’ADN
• La structure de base de la chromatine est sous forme d’un chapelet de particules reliées
les unes aux autres par un filament d’ADN
• Le nucléosome représente l’unité fondamentale de la chromatine.
Figure 1 : Organisation de l'ADN en chromosome
2. composition de la chromatine
La chromatine est
Les histones : sont des petites protéines basiques de 110 à 250 acides aminés riches en acides
aminés hydrophobes chargés positivement (lysine et arginine). Ils possèdent des extrémités
N- et C-terminales.
Les histones H2A, H2B, H3 et H4 (11 à 15 KDa) sont présentes en quantité relativement
égales, et en double exemplaire, formant un octamère d’histones constituant un cœur
protéique en forme de disque.
L’octamère d’histone est un cylindre de 11 nm de diamètre et de 6 nm de hauteur. Autour de
ce cylindre s’enroule 1.7 tour d’ADN (soit 147 paires de bases), formant le nucléosome.
Donc le nucléosome est formé de 8 histones de coeur ([H2A, H2B, H3 et H4]x2) autour
desquelles s’enroule d’ADN.
Les histones de coeur présentent des ext extrémités N terminales libres appelées : queues.
Ces queues émergent des nucléosomes léosomes en position précises facilitant le
surenroulement des nucléosomes et la formation de niveaux de
L'unité fondamentale de la chromatine est le nucléosome. Il est stabilisé par la présence de
l’histone H1 (20kDa), qui est extranucléosomique et ne fait pas partie du cœur.
3. Structure de la chromatine
En microscopie électronique, la chromatine apparait sous deux aspects
• L'hétérochromatine dense foncée et condensée, a été définie comme une structure qui
ne change pas d'état de condensation au cours du cycle cellulaire
• Et l'euchromatine moins dense, apparaît décondensée pendant l'interphase.
Présente une structure en « collier de perles » Chaque perle constitue une particule
cœur de nucléosome
2.1. Hétérochromatine
a) Hétérochromatine constitutive : est formée principalement de séquences répétées et
contient peu de gènes. Elle est généralement concentrée dans des régions situées à proximité
des centromères et des télomères.
b) Hétérochromatine facultative : contient des régions codantes pouvant adopter les
caractéristiques structurale et fonctionnelle de l'hétérochromatine. Comme le chromosome X
inactif chez la femme
Figure 3 : les hétérochromatines
4. Niveaux de compaction de la chromatine
L’organisation dynamique de la structure chromatinienne influence, potentiellement, toutes les
fonctions du génome.
Le niveau de compaction de la chromatine permet de réguler l’accessibilité à l’ADN aux
enzymes et aux protéines de la transcription.
Le nucléosome constitue le premier niveau de compaction de l'ADN dans le noyau. Cette
structure est ensuite régulièrement répétée pour former le nucléofilament qui peut, lui-même
adopter des niveaux d'organisation plus compacts, le niveau de condensation le plus élevé étant
atteint au sein du chromosome métaphasique.
Le deuxième niveau de compaction de la chromatine est assuré par l'empilement des
nucléosomes en un solénoïde, constitué par l’association de six nucléosomes/tour grâce à
l’histone H1.
Les solénoïdes sont eux même organisés en boucles de chromatine fixées sur un squelette
protéique, formant une hélice une fibre de 30nm de diamètre. L’association des nucléosomes
n’est pas suffisante pour empaqueter 1à 2mètres d’ADN dans un noyau de 5 à 10μm de
diamètre. Des repliements en boucles sont nécessaires, les boucles sont maintenues compactes
par un support protéique jouant le rôle d’échafaudage.
Le super enroulement de la chromatine forme le chromosome métaphasique. Le chromosome
représente le stade ultime et supérieur d’organisation de l’ADN
Le chromosome est constitué d’ADN et de protéines histones non histonniennes qui sont en
proportions relativement comparables
Protéines intervenants dans la compaction de la chromatine :
• Protéines HMG (High Mobility Group) : sont des protéines chromatiennes
nonhistones qui se lient spécifiquement à l'ADN. Ces protéines peuvent affecter
l'espacement et le repliement du nucléofilament.
• Chaperons d'histones : sont des facteurs de nature acide pouvant former des
complexes avec les histones et ainsi favoriser leur mise en place. Ces facteurs facilitent
la formation de la particule nucléosomale sans faire partie intégrante de cette particule.
• Facteurs de remodelage de la chromatine : sont des facteurs nécessitant de l'énergie
sous forme d'ATP qui induisent des changements conformationnels au niveau du
nucléosome mais aussi au niveau de larges domaines de la chromatine.
Les chromosomes
1. Structure des chromosomes humains :
Les chromosomes sont de petits organes en forme de bâtonnets constitués par de longues
molécules d`ADN double brin associés à deux types de protéines, des protéines de type
basiques ou protéines histones et des protéines de type acides ou protéines non histones. Cette
ensemble complexe d`ADN et de protéines est susceptible de changer de structure au fil du
temps .C`est ainsi qu`en dehors de la division cellulaire (mitose ou méiose), les chromosomes
changent de structure pour former la chromatine. Le DNA dans la chromatine n`est pas libre,
mais il est intégré dans des structures faite à base de nucléosomes.
Les nucléosomes sont des boules de 100 A de diamètre régulièrement entourées et
régulièrement espacées par un fil de 20 A de diamètre ou ADN double brin.
• Dans le génome humain, les chromosomes se présentent sous différentes tailles. Le
chromosome le plus petit est le chromosome 21. Il possède environ 50 millions de
paires de bases, tandis que le plus grand chromosome, c’est le chromosome 1. Il peut
atteindre jusqu'à 250 millions de paires de bases.
On appelle cytogénétique l’étude des chromosomes, de leur structure et de leur transmission.
• L’établissement d’une formule chromosomique d’une espèce permet de détecter
d’éventuelles anomalies de structure ou de nombre des chromosomes.
• Le caryotype humain normal comporte 46 chromosomes répartir en 23 paires :
-22 paires de chromosomes identiques chez l’homme et la femme nommés autosomes
numérotés de 1 à 22, en fonction de leur taille décroissante.
-La dernière paire restante est représentée par les chromosomes sexuels nommés gonosomes :
XX chez la femme et
XY chez l’homme.
• La nomenclature d’un caryotype se fait comme suit :
Il faut maitre le nombre total de chromosome suivie d’une virgule, les chromosomes sexuels
suivies d’une virgule, l’anomalie chromosomique de structure ou de nombre quand elle existe.
• 46,XY
• 47,XX,21
• 45,X0
2. Anatomie d’un chromosome métaphasique
Le chromosome métaphasique possède un bras court nommé p, et un bras long nommé q par
chromatide. À l’extrémité de chaque bras se trouve une région télomérique composée du
télomère qui ne contient pas de gène et du subtélomère qui est riche en gènes. Le télomère est
situé tout au bout de la molécule et fait que le chromosome ne se détruit pas.
On distingue trois types de chromosomes :
- le chromosome métacentrique, où les bras p et q sont de la même longueur
- le chromosome submétacentrique où les bras q sont plus longs que les bras p
- le chromosome acrocentrique où il n’y a pas de bras p mais où l’on peut observer des petits
satellites (chromosomes 13, 14, 15, 21, 22)
Si on dénature puis colore les chromosomes, on peut observer une alternance de bandes claires
et de bandes sombres, qui dépendent de la richesse en GC. Le génome contient environ 3000
Mb dont 21 000 gènes qui vident pour des protéines. Sur l'ensemble des chromosomes on
observe donc environ 500 bandes. Un chromosome contient en moyenne 150 Mb et 250 à 4100
gènes. Une bande contient quant à elle une cinquantaine de gènes.
La division cellulaire
Le cycle cellulaire
1. Définition :
Le cycle cellulaire est l’ensemble des modifications qu’une cellule subit depuis sa formation
après la division d’une cellule mère jusqu’au moment où elle a fini de se diviser en deux
cellules filles, ayant les mêmes caractères morphologiques et physiologiques de la cellule mère.
Toutes les cellules se divisent, à l’exception des hématies, des neurones et des cellules
musculaires squelettiques.
2. Les phases du cycle cellulaire :
Le cycle cellulaire comprend deux grandes étapes l’interphase et la mitose :
A. L’interphase :
L’interphase est la plus longue période du cycle, elle correspond à la période comprise entre la
fin d’une division et le début de la suivante.
Sa durée varie en fonction de la nature et des conditions physiologiques de la cellule.
Ex : les cellules intestinales se divisent deux fois par jour, les cellules hépatiques une à deux
fois par an.
L’interphase se décompose en trois phases successives : la phase G1, la phase S et la phase G2.
(G : initiale de Gap, intervalle).
1) Phase G1 :
• La phase G1 est une phase de présynthèse au cours de laquelle la cellule se prépare à la
réplication (synthèse d’enzymes) et accumule des réserves pour la division cellulaire,
• synthétise les molécules d’ARN (messagers, ribosomaux et de transfert) et les protéines
nécessaires à l’accroissement cellulaire.
La cellule contrôle sa taille et son environnement. Le passage de la phase G1 à S est décisif car
la cellule s’engage de façon irréversible dans le cycle. Cependant, la cellule peut interrompre
sa progression dans le cycle et entrer en phase G0 de quiescence ou elle reste des jours, des
semaines ou même des années sans se multiplier.
2) Phase S : C’est la phase de synthèse caractérisée par :
• la duplication de l’ADN, la synthèse des histones.
• la duplication du centriole.
3) La phase G2 : c’est la phase prémitotique, Un certain nombre de facteurs y
sont synthétisés, en particulier les facteurs de condensation de la chromatine. Comme la phase
G1, elle représente une phase de croissance cytoplasmique.
B. La phase M : ou la mitose.
1. Définition : La mitose est un phénomène continu, qui désigne :
• Une étape bien particulière du cycle de vie des cellules eucaryotes, dit « cycle
cellulaire».
• La division d’une cellule mère en deux cellules filles identiques.
• L’étape durant laquelle les chromosomes sont bien visibles.
Conséquences :
1. La Caryodiérèse : division du noyau.
2. La Cytodiérèse : division du cytoplasme.
2. Caractéristiques : La mitose se caractérise par la :
• Spiralisation des chromosomes.
• Apparition dans le cytoplasme d’un fuseau de microtubules : Fuseau mitotique.
• Disparition de l’enveloppe nucléaire.
• Distribution de l’ADN de manière égale entre les deux cellules filles.
• Reconstitution du noyau des cellules filles.
3. Le déroulement de la mitose :
La mitose est l’étape de la division cellulaire où le stock d’ADN (qui vient d’être répliqué) est
transmis équitablement (c’est à dire l’ensemble des 23 paires de chromosomes) à chacune des
deux cellules « filles ». Dans une cellule humaine, la mitose dure entre 1 et 2 heures. On
distingue plusieurs phases de la mitose :
1- La prophase : Pendant l’interphase, l’ADN est sous une forme appelée chromatine
(l’ADN est entouré de nombreuses protéines, comme les histones). En début de mitose,
l’ADN est sous une forme plus condensée, organisé en filaments simples enchevêtrés.
On parle de chromatides. Chaque chromosome se retrouve sous la forme de deux
chromatides sœurs, génétiquement identiques, et liées par leur centromère (l’ADN
venant d’être répliqué). La membrane nucléaire commence à se fragmenter.
2- La métaphase : les chromosomes à deux chromatides se placent sur le plan équatorial
de la cellule. Les deux chromatides sœurs sont reliées entre elles au niveau des
centromères. On trouve à ce niveau une structure particulière appelée kinétochore, qui
va jouer un rôle essentiel pour l’alignement et la séparation des chromosomes. En effet,
les kinétochores participent à la dynamique du fuseau de microtubules qui relient
chaque chromatide aux pôles de la cellule. Les centrosomes sont situés aux pôles de la
cellule, et interviennent aussi dans la formation des fuseaux de microtubules.
3- L’anaphase : elle débute lorsque les centromères de chaque chromosome se séparent,
libérant les deux chromatides sœurs, qui sont « tirées » vers chacun des deux pôles à
mesure que les microtubules raccourcissent. On parle alors de chromosome à 1
chromatide. À la fin de l’anaphase, on retrouve à chaque pôle de la cellule un stock
équivalent et complet diploïde (23 paires de chromosomes).
4- La télophase : Des membranes nucléaires commencent à se former autour de chacun
des deux stocks de chromosomes à chaque pôle, conduisant à l’apparition de deux
noyaux (de petite taille, car l’ADN est à ce stade très condensé). Les chromosomes vont
alors perdre leur forme compacte, et retrouver leur organisation caractéristique de
l’interphase (la chromatine). La cytokinèse (division de cytoplasme) est alors bien
avancée. Un sillon de division se forme au milieu de la cellule mère et deux cellules
filles sont alors produites.
C. LA MEIOSE
C’est une division cellulaire particulière, dite réductionnelle, permettant le passage de l’état
diploïde à l’état haploïde. En partant d’une cellule diploïde, deux divisions successives vont
aboutir à la formation de 4 cellules haploïdes. La première division est dite réductionnelle
(divise par deux le nombre de chromosomes), la seconde équationnelle (maintient le même
nombre de chromosomes dans chaque cellule par séparation des chromatides). Ce type de
division est présent chez de nombreux organismes (levures, animaux, plantes). Chez l’homme,
elle se produit pendant la gamétogenèse (formation des cellules sexuelles haploïdes,
spermatozoïdes et ovocytes).
Avant la méiose, tout comme avant la mitose, il se produit une réplication de l’ADN, qui est
suivie par deux divisions successives appelées méiose I et méiose II, chacune comprenant
différentes phases (prophase, métaphase, anaphase et télophase).
1. Prophase I : Elle est plus longue (elle représente 90 % de la première division, et peut
s’étaler sur plusieurs jours), et plus complexe que celle de la mitose. Les chromosomes
dupliqués se condensent. Les chromosomes homologues s’apparient pour former une
structure en tétrade (4 chromatides liées 2 à 2). Ils se chevauchent à plusieurs endroits
en croisant leurs chromatides homologues. Les points de croisement sont appelés des
chiasmas. À ce stade, des segments d’ADN sont échangés entre chromatides sœurs
homologues. C’est la recombinaison homologue, qui permet la formation de «
nouveaux » chromosomes ; Tout comme la mitose, le fuseau mitotique (microtubules)
commence à se mettre en place, la membrane nucléaire se disperse.
2. Métaphase I : Les paires de chromosomes s’alignent sur la plaque équatoriale. Les
fibres de microtubules qui partent d’un des pôles de la cellule se fixent sur un
chromosome de chaque paire, et les fibres venant de l’autre pôle se lient à l’autre
chromosome de la paire.
3. Anaphase I : Les fibres du fuseau déplacent les chromosomes vers chacun des deux
pôles. Les chromatides sœurs reliées par leur centromère se dirigent ensemble vers le
même pôle. Les chromosomes homologues de chaque paire rejoignent ainsi les pôles
opposés.
4. Télophase I : Les chromosomes homologues de chaque paire continuent de s’éloigner
l’un de l’autre, jusqu’à atteindre leur pôle respectif. Il y a maintenant un jeu haploïde
de chromosomes à chaque pôle, chacun des chromosomes étant formés de deux
chromatides sœurs. La cytocinèse a lieu à ce stade, et produit deux cellules filles. Il n’y
a pas de nouvelle réplication de l’ADN avant la prophase II. Cependant, chez certaines
espèces, il existe une interphase (appelée intercinèse), où les chromosomes se
décondensent et des membranes se forment autour de l’ADN pour former des noyaux.
Chez d’autres espèces, les deux cellules filles après la télophase I se préparent
immédiatement à la seconde division méiotique.
5. Prophase II et Métaphase II: Un nouveau fuseau se forme, et les chromosomes
migrent pour s’orienter sur la plaque équatoriale.
6. Anaphase II : Les centromères des chromatides sœurs se séparent. Les chromatides
sont attirées vers chacun des pôles. On parle de chromosomes à 1 chromatide.
7. Télophase II : Les noyaux commencent à se former aux 2 pôles de la cellule, autour de
chacun des 4 stocks chromosomiques haploïdes. La cytocinèse a lieu, et 4 cellules filles
sont formées, génétiquement différentes les unes des autres (grâce au brassage des
chromosomes homologues lors de la recombinaison pendant la Prophase I).
Les anomalies chromosomiques
1. Définitions et mécanismes
• Anomalie constitutionnelle : elle est présente à la naissance (= dès la conception)
• Anomalie acquise : elle est post-zygotique (c’est par exemple le cas des
transformations malignes)
• Anomalie homogène : elle est présente dans toutes les cellules
• Anomalie en mosaïque : il y a plusieurs populations cellulaires à caryotypes différents
issues d’un zygote unique (l’anomalie n’est présente que dans certaines cellules)
• Anomalie équilibrée : il n’y a ni perte ni gain de matériel génétique
• Anomalie déséquilibrée : il y une perte ou un gain de matériel génétique
• Haploïdie : n= 23 chromosomes (gamètes)
• Diploïdie : 2n = 46 chromosomes (cellules somatiques)
• Aneuploïdie : il y a un ou plusieurs chromosomes en plus ou en moins (= nombre
anormal de chromosomes)
-> Trisomie 2n+1 = 47 chromosomes
-> Monosomie 2n-1 = 45 chromosomes
-> Tétrasomie 2n+2 = 48 chromosomes
• Polyploïdie : il y a un jeu complet de chromosomes en plus, n’est pas compatible
avec la vie
-> Triploïdie 3n = 69 chromosomes
-> Tétraploïdie 4n = 92 chromosomes
Il existe 3 grands mécanismes pathogéniques : les anomalies de fécondation, qui provoquent
des polyploïdies (il peut s’agir d’un ovule fécondé par 2 spermatozoïdes ou d’un ovule fécondé
par un seul spermatozoïde mais qui n’a pas éliminé son deuxième globule polaire), les
anomalies de ségrégation méiotique (et parfois mitotique) qui provoquent des anomalies de
nombre, et enfin les anomalies de la réparation des cassures qui provoquent des anomalies de
structure.
2. Anomalies de nombre
Les aneuploïdies proviennent d’accidents de la ségrégation méiotique. Elles sont le plus
souvent létales au 1er trimestre de grossesse et sont responsables de la moitié des fausses
couches. Ces anomalies seraient plus nombreuses à mesure que l’âge maternel augmente.
Certaines aneuploïdies homogènes (= qui touchent toutes les cellules) sont viables :
-Pour les autosomes, ce sont les trisomies 13, 18 et 21. Les monosomies par contre ne sont pas
compatibles avec la vie.
-Concernant les gonosomes, il existe des trisomies X (triplo-X : 47,XXX), des disomies X
(Klinefelter : 47,XXY), des disomies Y (Double Y : XYY), des monosomies X ou encore des
tétra ou pentasomies X et Y qui sont compatibles avec la vie s’il y a au moins un X ; 47, XXX
ou 47, XYY sont des variants de la normale. Les aneuploïdies des gonosomes sont beaucoup
mieux tolérées que celles des autosomes et leur survie s’explique par l’inactivation des
chromosomes X et le faible contenu génétique du chromosome Y (le chromosome Y est à
l’origine un chromosome X qui a dégénéré et perdu du matériel génétique, le prof l’a précisé à
l’oral).
Les aneuploïdies peuvent également ne pas toucher toutes les cellules, elles sont dites en
mosaïque (non homogènes). Elles peuvent être causées par deux mécanismes :
- Lorsqu’on a une anomalie de ségrégation méiotique lors de la fécondation, on obtient un
zygote trisomique. Il se peut que par la suite, lors des premières mitoses, il y ait une perte du
chromosome surnuméraire dans une des cellules filles par « correction » spontanée, ce qui
donnera des cellules normales et des cellules anormales.
- Elles peuvent également provenir d’accidents de ségrégation lors des premières mitoses sur
un zygote initialement normal (au stade morula)
Les trisomies 8, 9, 20, 22 sont compatibles avec la vie lorsqu’elles sont en mosaïque.
