Université Hassan II Faculté de Médecine et de Pharmacie

Casablanca

- Cours de Biologie -

Pr. Tahiri Jouti N.

Année Universitaire 2015-2016

Les Chromosomes

Définition

- forme condensée de la chromatine - Support du matériel génétique - apparaissent au moment de la division

cellulaire Un chromosome est une structure. Chacun des chromosomes a une forme différente. Nous en avons 23 paires dans le noyau de

chacune de nos cellules, 22 sont communes aux deux sexes. Les deux chromosomes restants sont les chromosomes sexuels. Chez la femme, ils forment une paire. On les appelle les chromosomes X. Chez l’homme, ils sont différents, l’un est un chromosome X et l’autre, beaucoup plus court est appelé chromosome Y. Les chromosomes sont particulièrement visibles au moment de la division cellulaire et ils sont en nombre différent selon les espèces. Le nombre de chromosomes varie dans certains types de cellules malades, en particulier dans les cellules cancéreuses, où en général, il augmente.

Composition biochimique

Chaque chromosome est formé :

- d’une molécule d’Acide Désoxyribonucléique

(ADN)

- des protéines

L’ADN

est une molécule formée : * de bases puriques double cycle :

A : Adénine G : Guanine * de bases pyrimidiques monocycliques

C : Cytosine T : Thymine

L’ADN

- Est une double chaîne de nucléotides

torsadée et antiparallèle

- Les 2 chaînes sont liées : * par des liaisons hydrogènes

* de façon complémentaire :

A-T et G-C

L’ADN

Les Protéines

2 types :

- les Histones

- les protéines non histones

Les Histones

- sont de petites protéines basiques

de 100 à 200 acides aminés

- ont un rôle structural

-

Les Histones

5 types d’histones formant 2 groupes :

1er groupe :

H2A, H2B, H3, H4 constituent un

Octamère protéique (2 exemplaires de chacune des histones)

2ème groupe : H1

jouerait un rôle dans la compaction de l’ADN

-

Les Protéines Non Histones

- Sont des :

- protéines acides de petite taille

- enzymes

- Ont un rôle dans la régulation de l’expression du génôme

Le Nucléosome

- Est l’Unité fondamentale de la chromatine

- Est constitué d’ :

* Une particule cœur

* Une région de liaison : Internucléosomale reliant les particules coeurs

Le Nucléosome

Le Nucléosome

- La particule cœur est composée :

- 146 paires de bases (pb) d’ADN, enroulées autour de l’octamère protéique

- La région internucléosomale :

- est de longueur variable

- comprend H1 insérée sur une longueur de 20 nucléotides

Le Nucléosome

La fibre Nucléosomique ou « Collier de perles »

ADN + Protéines : nucléosomes

► formation de la

fibre nucléosomique

= «collier de perles»

La fibre Nucléosomique ou « Collier de perles » (ME)

La Condensation de la Chromatine

se déroule en plusieurs étapes en fonction du stade

mitotique - rapprochement des nucléosomes ► formation du nucléofilament

- incorporation des histones internucléosomales H1 et

repliement du nucléofilament ► formation d’un solénoïde

Le Nucléofilament

Fibre

Nucléosomique

Nucléofilament

Le Solénoïde

- solénoïde comprend 6 nucléosomes par tour

- compaction de l’ADN de l’ordre de 200 fois

- des niveaux supérieurs d’organisation sont nécessaires au fonctionnement du génôme

Le Solénoïde

- Le solénoïde se replie en boucles formant des rosettes

- Chaque rosette

- comprend 10 boucles

- correspond à une unité fonctionnelle de transcription et de réplication

Compaction de l’ADN

Niveaux de condensation de l'ADN : (1) Brin simple d'ADN. (2) Brin de chromatine (ADN+histones). (3) Chromatine en interphase avec centromère. (4) Chromatine condensée en prophase (2 copies de la molécule d'ADN) (5) en métaphase.

Morphologie des chromosomes

- Visible sur le chromosome métaphasique

- 2 chromatides reliées par un centromère

- Extrémités appelées télomères

Chromosome métaphasique

Le Centromère

- constriction primaire du chromosome - portion où l’ADN pas encore dupliqué

- région où les 2 chromatides sœurs

sont unies de chaque côté du centromère

Le Centromère

Le Centromère

A son niveau :

les 2 chromatides sœurs comporte chacune

un kinétochore = complexe protéique

► fixation des chromatides au

fuseau mitotique

Centromère et Kinétochore

Centromère et Kinétochore

Le Télomère

- extrémité des chromatides

- séquence ADN répétitive (AAAA)

- empêche fusions avec d’autres chromosomes

- permet attachement chromosome à la lamina (Noyau Interphasique)

La Constriction Secondaire

- située sur chromosomes 13,14,15,21 et 22

chez l’humain

- correspond à l’Organisateur Nucléolaire

= ADNr

Nombre de Chromosomes

- variable selon l’espèce :

drosophile : 8

souris : 40

rat : 42 Homme : 46

Singe : 48

Types de chromosomes

- 22 paires d’autosomes : de 1 à 22

- 1 paire de gonosomes ou chromosomes sexuels :

XX chez la femme

XY chez l’homme

Rôle des chromosomes

Deux rôles principaux :

- transmission du patrimoine génétique

- expression des gènes

Transmission patrimoine génétique

Se fait :

1) de la cellule mère aux cellules filles

Mitose

2) d’une génération à l’autre : formation de

gamètes => Méïose

Le Cycle Cellulaire

Le Cycle Cellulaire

Phase G1

phase de quiescence :

- cellule synthétise protéines croissance et fonctions cellulaires

- durée varie de dizaines à plusieurs centaines d'heures

- passage dans le cycle cellulaire sous l’action

d’un stimulus

- la phase G1 peut durer plusieurs dizaines

années * ces cellules sont hors cycle ,

* état métabolique particulier appelé Phase G0

Phase G0/G1

Passage G1 / S

- dépend de facteurs inducteurs externes : facteurs de croissances (FC)

- au-delà du milieu de G1 : point R ou point de restriction

entrée en S et progression du cycle surviennent même en l'absence de FC

mécanisme irréversible

Phase S

- sa durée varie de 6 à 20 h - prolongée en cas de lésions de l'ADN - duplication * de l’ADN * du centrosome - synthèse des histones

Duplication du Centrosome

le centrosome se duplique avant le

début de la prophase

► constitué de 4

centrioles

- Semi-conservative :

- L’ADN-polymérase ouvre la double hélice - chaque demi-brin parental reconstitue le

brin qui lui est complémentaire - l’ADN nouvellement formée est constitué d’: * 1 brin matrice * 1 brin néo-formé

Duplication de l’ADN

- Bicaténaire : les deux brins répliqués simultanément

- Bidirectionnelle : au site d'initiation, 2

complexes de réplication

* sont simultanément activés sur les 2 brins de la molécule mère

* progressent dans deux directions opposées

Duplication de l’ADN

Duplication de l’ADN

Plusieurs sites

d’initiation :

«fourches ou yeux

de réplication »

Phase G2

- Formation de complexes moléculaires déclenchant la mitose

- Présence d’un système de surveillance

du génôme vérifiant l'intégrité de l'ADN

- durée d'environ 1 à 4h

La Mitose

Plusieurs phases :

- Prophase

- Prémétaphase

- Métaphase

- Anaphase

- Télophase

La Prophase

- chromatine se condense en structures

ordonnées et individualisées : les chromosomes

- nucléoles se désagrègent

- 2 copies identiques du génôme :

chromosomes constitués de 2 chromatides

sœurs

Migration des Centrosomes

- Chaque centrosome migre vers un pôle de la cellule

- les microtubules se réorganisent pour former Fuseau mitotique

Le Fuseau Mitotique

Structure Bipolaire qui

- s'étend entre les 2 centrosomes

mais

- reste à l'extérieur du noyau

La Prométaphase

- considérée parfois comme partie de la prophase

- membrane nucléaire se désagrège en vésicules

- kinétochores se forment autour des centromères

Les Microtubules

- des microtubules s'accrochent aux kinétochores : microtubules kinétochoriens

- des microtubules s’accrochent aux centrosomes : microtubules polaires

- des microtubules restent autour aster :

microtubules astraux

La Prométaphase

microtubules kinétochoriens

microtubules polaires

microtubules astraux

La Métaphase

- rassemblement chromosomes à

l'équateur de la cellule

la Plaque Equatoriale

- réplication du centromère par duplication

tardive de son ADN

La Métaphase

L’Anaphase

Les chromatides sœurs

* se séparent brutalement

* sont « tirées » par les microtubules

en direction d’un pôle

vitesse de migration : 1µm/min

L’Anaphase

déplacement des chromatides :

* microtubules kinétochoriens raccourcissent par dépolymérisation

* microtubules polaires qui s'allongent par

polymérisation

éloignement des pôles du fuseau mitotique l'un de l'autre entraînant les chromatides

L’Anaphase

kinétochores permettent * fixation de la chromatide au

microtubule * transport de la chromatide le long

des microtubules

L’Anaphase

La Télophase

- allongement microtubules polaires

- disparition microtubules kinétochoriens - décondensation chromatides sœurs

commence

- enveloppe nucléaire et nucléoles se reforment

Télophase et Cytodiérèse

- Formation sillon de division dans un plan perpendiculaire à l'axe du fuseau mitotique

- Clivage Centripète de la cellule grâce à un anneau contractile composé d‘actine et myosine

Télophase et Cytodiérèse

- Sillon de division se resserre

formation d’un corps

intermédiaire qui :

* est un passage étroit

entre les deux cellules filles

* contient le reste du fuseau

mitotique

Séparation des 2 cellules filles

- Enveloppe nucléaire et nucléoles

finissent de se reconstituer

- l'arrangement radial des microtubules

centrosome se reforme

Obtention de 2 cellules filles

Contrôle du Cycle Cellulaire

A la fin de chaque étape du cycle, la cellule peut: - poursuivre sa progression ou - s'arrêter Les transitions entre les phases contrôlées par un complexe kinase (activité de phosphorylation sur des sérine et thréonine)

Contrôle du Cycle Cellulaire

Complexe Cdk: Cycline Dependant Kinase

- Constitué par deux protéines clés, deux sous-unités : - une sous unité catalytique = cdk (cyclin dependant kinase)

- une sous unité régulatrice = cycline

- Concentration de Cdk constante au cours du cycle.

- Les Cdk actives (capable de phosphoryler les protéines cibles) lorsqu'elles sont associées à des cyclines

- La concentration des cyclines varie au cours du cycle

(d'où leur nom)

Système de contrôle du cycle cellulaire

Complexe M-Cdk

Complexe S-Cdk

Complexe Cdk: Cycline Dependant Kinase

- La Cdk s’associe successivement à différentes cyclines pour déclencher les différents événements du cycle - L’activité de la Cdk se termine généralement par la dégradation de la cycline. - Les cyclines qui agissent en phase S (cycline S) et en phase M (cycline M) respectivement nommés S-Cdk et M-Cdk.

Principales Cyclines et Cdk

Principales Cyclines et Cdk

- Quatre classes de Cyclines en fonction de l’étape pendant laquelle elles se fixent sur les Cdk

- Cyclines:

- G1: promotion du passage du Point de Restriction

- G1/S: fin de la phase G1, engagent la cellule vers la réplication de l’ADN

- S: pendant la phase S, nécessaires à l’initiation et la réplication de l’ADN

- M: favorisent les événements de la mitose

Régulation de l’activité Cdk

Par

- Augmentation et chute de la concentration en cycline

- Phosphorylation sur le plafond du site actif

- Fixation de protéines inhibitrices de la Cdk: les CKI

Régulation de l’activité Cdk

Par:

- La protéolyse de la cycline

- La diminution de la transcription des gènes de la cycline

Régulation de l’activité Cdk par

phosphorylation

Synthèse

Conditions environnementales favorables:

- Augmentation en G1-Cdk et G1/S-Cdk

activation de la S-Cdk

- S-Cdk initiation de la réplication

- M-Cdk Mitose

- Anaphase déclenchée par la protéolyse de protéines liant les chromatides sœurs

- M-Cdk inactivée par la protéolyse de la cycline

Synthèse

- Progression dans le cycle cellulaire régulée

par divers mécanismes inhibiteurs lorsque:

- Les événements n’ont pas réussi à se terminer

complètement

- Production de lésions de l’ADN

- Conditions environnementales extracellulaires

défavorables

Mort Cellulaire : Nécrose

Nécrose : destruction massive des cellules par des facteurs exogènes

Physiques chimiques ou biologiques

→ lyse osmotique des cellules → rupture des membranes

→ destruction des organites → libération du contenu cellulaire

(enzymes lytiques) Cicatrisation

Mort Cellulaire : Apoptose

- mort cellulaire programmée

- élimination sélective de cellules

- mécanisme fondamental qui contrôle de façon permanente:

* l'homéostasie

* l'intégrité et les fonctions cellulaires

Définition de l’Homéostasie

Homéostasie : processus par lequel un

organisme maintient constantes les conditions

internes nécessaires à la vie

Mort Cellulaire : Apoptose

- dépend de l'activation machinerie cellulaire

- requiert :

* activation de gènes et * synthèse protéique

Mécanisme de l’Apoptose

- Préservation intégrité des organites et macromolécules jusqu'à un stade avancé

- réduction volume cellulaire - cellule s'arrondit - Perte des contacts avec cellules voisines

Mécanisme de l’Apoptose

- Condensation * de la chromatine à la périphérie du noyau Marginalisation * du cytoplasme - Clivage ADN

La Méïose

- division cellulaire concernant lignées germinales

- production cellules haploïdes ou gamètes :

l’ovogénèse et la spermatogénèse

- nombre chromosomes réduit de moitié

La Méïose

- cellules somatiques :

46 chromosomes par cellule

nombre diploïde (2n=46) - gamètes produites par la méïose :

23 chromosomes

nombre haploïde (n=23)

La Méïose

2 divisions successives : - 1 division réductionnelle : Méïose I - 1 division équationnelle : Méïose II

La Méïose

Méïose I : - séparation chromosomes homologues

- obtention de 2 cellules filles contenant la moitié des chromosomes

La Méïose

Méïose II :

chromosomes dédoublés → 2 chromatides soeurs

production de 4 cellules filles haploïdes

MÉIOSE I : PHASE RÉDUCTIONELLE

PROPHASE I : phase la plus longue (23 jours chez homme) 5 stades : - leptotène - zygotène - pachytène - diplotène - diacénèse

Leptotène

- Chromosomes visibles en forme de longs filaments fins

- Rapprochement des homologues

- ADN déjà répliqué durant interphase

Zygotène

Appariement des chromosomes homologues

► chromosomes sous

forme de bivalents

Pachytène

- Phase la plus longue

de la prophase

(16j chez l’homme)

- Condensation des chromosomes :

► chromosomes courts

et épais

Pachytène

Stade des crossing-over

* entre chromosomes homologues

* correspond au brassage intra chromosomique

permet la diversité génétique

Diplotène

- Séparation des chromosomes homologues qui restent unis par chiasmas

- bivalents se dissocient

Diacinèse

- Disparition

* enveloppe nucléaire et

* nucléole - Chromosomes fixés sur fuseau mitotique

Métaphase I

- chromosomes sur plaque équatoriale

- Centromères des chromosomes homologues dirigés chacun vers un pôle cellule

Anaphase I

- chromosomes homologues se séparent et migrent chacun vers un pôle

- Pas de séparation des chromatides sœurs

- centromères ne se divisent pas

- nombre de chromosomes réduit

TELOPHASE I

- nouveau noyau haploïde formé dans les 2

cellules filles

- chromosomes disparaissent de vue

- cytodiérèse presque complète

INTERCINÈSE - maintenant * deux cellules haploïdes * chromosomes à deux chromatides = ADN déjà doublé - Plus de doublement matériel génétique

MÉIOSE II : Phase Equationnelle = Mitose

PROPHASE II :

- Formation du fuseau mitotique METAPHASE II : - Chromosomes sur plaque Équatoriale - Clivage centromère après duplication

tardive ADN

MÉIOSE II : Phase Equationnelle = Mitose

ANAPHASE II : - séparation des centromères - migration des chromatides sœurs

TELOPHASE II et Cytodiérèse :

- désorganisation fuseau mitotique

- formation enveloppe nucléaire

- décondensation des chromosomes

- division cytoplasmique

Mitose / Méiose

MITOSE

Localisation tous tissus

Produits cellules somatiques 46 chr

Réplication ADN 1 cycle réplication par division

Durée de la courte (30’) Prophase

MEIOSE

Gonades

cellules germinales 23 chr

1 cycle de réplication mais 2 divisions

longue et complexe

Mitose / Méiose

Appariement Non

Homologues

Recombinaison rare et anormale

homologues

Relation entre identiques

cellules Filles

oui (méiose I)

au moins 1 par paire

différentes

Anomalies chromosomiques

- peu fréquentes

- affectent gonosomes et autosomes

- de différents types

Anomalies chromosomiques

Constitutionnelles (Innées) : - production * avant fécondation, dans les gamètes * dans les cellules du zygote - accident chromosomique déjà chez

embryon

Anomalies chromosomiques

Constitutionnelles (Innées) : - différents organes avec même anomalie

- souvent dysmorphie et/ou malformations

viscérales et/ou retard du développement

psychomoteur

Anomalies chromosomiques

Acquises : - production au cours vie de l'individu - un seul organe touché, autres organes

normaux - acquises par rapport au caryotype

constitutionnel Exemple : sujet porteur d'un processus

cancéreux sur l’organe impliqué

Anomalies chromosomiques

HOMOGENE: toutes les cellules du tissu examiné portent la

même anomalie

En MOSAIQUE : certaines cellules du tissu portent l'anomalie

alors que d'autres sont normales Notion de Clône

Anomalies chromosomiques

Constitutionnelle HOMOGENE: toutes les cellules du tissu examiné portent la

même anomalie

- exemple 1: une anomalie constitutionnelle

survenue chez un gamète parental (ex: + 21)

retrouvée chez toutes les cellules de l'enfant

descendant : Trisomie 21 homogène

Caractéristiques des Anomalies chromosomiques

Acquise HOMOGENE :

exemple : t(9;22) dans la leucémie myéloïde chronique (LMC)

une anomalie acquise présente sur toutes les cellules sanguines de l’ individu

Pourquoi? Les cellules normales sont suffisamment inhibées

pour que l'on n'en retrouve aucune en mitose

Anomalies chromosomiques

Constitutionnelle en MOSAIQUE : Exemple :

- une anomalie constitutionnelle survenue

chez le zygote après plusieurs divisions

cellulaires (ex: +21)

- ne touchera qu'une partie des cellules de

l'embryon puis de l'enfant

Anomalies Chromosomiques de Nombre

un chromosome est soit : * surnuméraire (trisomie) (ex: +21) * manquant (monosomie) (ex: XO par

perte d'un gonosome) caryotype toujours déséquilibré lors

d'une anomalie de nombre

Anomalies Chromosomiques de Structure

Cassures chromosomiques et recollements erronés

l'anomalie peut être :

* Equilibrée : ni perte ni gain de matériel génétique= Translocation

* Déséquilibrée :

Délétion, insertion, duplication de fragment(s)