1
CYTOGENETIQUE GENERALE
Chapitre III. L’appariement chromosomique
Pendant la division cellulaire, le phénomène clé qui se produit est l’appariement
des chromosomes homologues.
Cet appariement est la base de tous brassages intra et inter-chromosomiques.
Ces brassages faisant partie des fondements de l’évolution, nous pouvons voir
de près cet appariement. Il existe deux types d’appariements chromosomiques :
- l’appariement somatique
- l’appariement méiotique
A] Appariement somatique 1. l’appariement
L’appariement somatique se produit dans les cellules somatiques. La division
cellulaire qui a lieu dans ces cellules est la mitose. L’appariement qui a lieu
dans une cellule mitotique est un appariement mitotique ; d’où le terme de
appariement mitotique donné à l’appariement somatique.
Notons que l’appariement somatique où mitotique n’intervient que dans les
cellules somatiques en mitoses successives pour former des clones
cellulaires.
Lorsque nous avions décrit la mitose, nous n’avions pas fait mention de
l’appariement de chromosomes homologues. Cela est dû au fait que ce
phénomène est beaucoup plus rare en mitose par rapport à ce qui se passe à la
méiose. En effet à la mitose les chromosomes paternels et maternels ne sont
pas appariés sur la plaque métaphasique; deux jeux complets de
chromosomes paternels et maternels vont être répartis entre les deux cellules
filles. Il n’y a pas de ségrégation comme à la méiose. C’est le fondement de
la reproduction conforme. Cette absence d’appariement des homologues à la
mitose serait due à l’absence ou à la faible induction des enzymes de
recombinaison dans les cellules somatiques. Cependant, accidentellement, on
peut observer à la mitose deux chromosomes homologues, et déjà répliqués
qui se trouvent proches, s’apparier au moins sur une petite longueur : c’est
l’appariement somatique. Il peut alors se produire un crossing-over (CO)
entre deux chromatides homologues.
2
Exemple1. CO mitotique chez des souris hétérozygotes cch
/ca.
Ces souris sont de couleur gris clair alors que, les homozygotes ca/c
a sont
blanches et les homozygotes cch
/cch
sont gris foncé : il y a codominance entre les
deux allèles. En croisant des souris hétérozygotes entre elles on a obtenu parmi
la progéniture gris clair (la moitié du total) une souris portant dans le pelage gris
clair deux taches accolées de pelage blanc et gris foncé. Ces clones jumeaux
sont la preuve qu’il y a eu recombinaison mitotique dans un mélanocyte (qui
synthétise les pigments du poil) donnant naissance à deux cellules-filles
de génotypes différents. Chaque cellule-fille, par divisions successives, donne
ensuite naissance à un clone de cellules qui lui sont identiques.
On estime la fréquence spontanée de la recombinaison mitotique à 10-5
par
division. On voit donc que plus le nombre de cellules est grand et plus elles se
divisent activement et plus des CO mitotiques ont des chances de se produire.
Pour que le CO apparaisse phénotypiquement il faut :
qu’il ait eu lieu suffisamment tôt dans le développement pour que les
clones soient suffisamment étendus pour être visibles ;
3
qu’il se produise dans une cellule du tissu où le gène s’exprime (dans
un mélanocyte dans l’exemple ci-dessus).
Incidence de la recombinaison mitotique chez les mammifères.
Certaines tumeurs semblent associées à un CO mitotique, cela a été démontré
pour le rétinoblastome, ou tumeur de la rétine. Sur 33 rétinoblastomes
observés au cours d’une étude, 24 présentaient une perte de
l’hétérozygotie pour le chromosome 13. Sur ce chromosome est situé le gène
Rb qui intervient dans la différentiation cellulaire des cellules rétiniennes. Le
génotype des malades était Rb+/Rb-. Une mutation récessive dans le gène Rb
à l’état hétérozygote n’entraine aucun trouble. Cependant si dans une cellule
de la rétine il se trouve que seul l’allèle Rb- est présent par perte de l’allèle
sauvage, alors cette cellule va se diviser anarchiquement et donner naissance
à une tumeur. Cette perte de l’allèle sauvage s’est produite par CO mitotique
dans 4 cas sur les 24 susdits. Dans les autres cas elle est survenue par
d’autres évènements :
- délétion d’une portion du chromosome 13 contenant l’allèle Rb+,
- perte du chromosome entier par non disjonction à la mitose précédente,
- cassure du chromosome 13, nouvelle mutation apparue de novo dans le
gène Rb+.
D’autres tumeurs (rhabdomyosarcome, astrocytome) semblent dues
également à un CO mitotique intervenant dans une cellule hétérozygote
pour une mutation récessive dans un gène impliqué dans la prolifération et
la différentiation cellulaire.
Exemple 2. Utilisation de la recombinaison mitotique chez la drosophile.
Depuis longtemps les drosophilistes ont essayé d’augmenter la fréquence des
CO mitotiques pour faire de l’analyse clonale. Cela peut se faire en irradiant
les larves de mouches aux rayons X, mais plus récemment ont été mises au
point des techniques génétiques qui permettent non seulement d’obtenir des
clones mitotiques dans 90% des mouches mais aussi de cibler les CO
mitotiques dans des tissus particuliers. Cette technique utilise les propriétés
de la FLP recombinase spécifique de levure, qui reconnait un motif sur
l’ADN appelé séquence FRT. Ces séquences FRT ont été introduites sur les 3
grands chromosomes de la drosophile (les autosomes) : on peut donc avoir
des échanges de portions de chromosomes à la demande, quand et où on
induit l’expression de la recombinase FLP.
Notons que toute cette technique d’introduction de séquences étrangères sur
les chromosomes de drosophile repose sur la transgénèse donc sur l’élément
P.
4
5
2. Intérêts de l’appariement somatique
Quelles informations peut donner l’analyse de clones mitotiques ?
Entre autres on peut:
Savoir si un gène a une expression autonome cellulaire ou non ;
Déterminer le lignage d’une cellule (le nombre et la destinée), c’est-à-dire
la portion de territoire qui descend d’elle par divisions successives ;
Etudier l’expression d’un gène après son stade de létalité : en effet si une
mutation dans un gène est létale pour l’organisme à un stade très précoce
on ne pourra pas savoir, autrement que par analyse clonale, quel est son
rôle ensuite c’est-à-dire quel sera le phénotype cellulaire chez le mutant à
un stade plus tardif.
Savoir si un gène est requis au cours de l’ovogénèse.
L’intérêt de la recombinaison mitotique est de produire des clones de
cellules homozygotes pour une mutation dans un gène donné.
issues d’une cellule d’origine par divisions mitotiques successives ;
étudier le phénotype cellulaire donné par une mutation qui entraine la
létalité au niveau de l’organisme, après le stade de létalité (donc permet
de savoir si un gène est requis plusieurs fois au cours du développement et
quelle est sa fonction
déterminer le moment ou un gène cesse d’être actif ;
Cette technique a permis des avancées considérables dans l’étude du
développement de la drosophile.
B] L’appariement méiotique
1. Association pré-méiotique
Notons que les chromosomes homologues doivent s’apparier puis se séparer
de manière coordonnée lors de la méiose I
Il s’agit ici de savoir dans quelles dispositions se trouvent les chromosomes
avant les différentes phases de la méiose. Il y a-t-il des dispositions
interphasiques qui conduisent les appariements d’homologues.
Les mécanismes qui régulent l’appariement des chromosomes homologues
lors des toutes premières étapes de la division méiotique sont mal connus et
de nombreuses questions restent sans réponses.
Durant l’interphase pré-méiotique, les chromosomes homologues, dédoublés,
non appariés, sont distribués uniformément dans le noyau. Les chromosomes
commencent la recherche d’homologie au début de la méiose (leptotène).
Cependant quelques observations ont été faites:
6
- De façon surprenante, chez de nombreuses espèces, dont certaines
levures, ont montré une association non homologue des centromères lors
des phases précoces de la méiose, afin de favoriser une reconnaissance
d’homologie entre les chromosomes. Certains auteurs, ont par ailleurs
suggéré que cette association non homologue des centromères avait plus
vraisemblablement pour but d’éviter la formation d’échanges de
chromatides trop près des centromères, ce qui pourrait être délétère pour
la cellule.
Des études ont aussi montré qu’il existait chez certaines espèces telles que
D. melanogaster, A. thaliana et S. pombe un appariement des
chromosomes avant même leur entrée en méiose, souvent près des
centromères. Bien que le mécanisme soit encore inconnu, cette
association pré-méiotique pourrait favoriser l’appariement des
chromosomes par la suite. Cependant, ce phénomène n’a pas été observé
chez les mammifères.
A : Durant l’interphase pré-méiotique, les chromosomes homologues, non
appariés, sont distribués uniformément dans le noyau.
B : Les chromosomes commencent la recherche d’homologie au début de
la méiose.
7
C et D : Formation du bouquet télomérique, reconnaissance des
homologues aux stades leptotène et zygotène et appariement.
E : La synapse des chromosomes homologues est complète à la fin de la
prophase de première division méiotique.
En Conclusion on peut dire que l’association pré-méiotique est un
phénomène réel. Mais cette association n’est pas homologue et ressemble
plus à un regroupement « pré-appariement méiotique » A l’entrée en méiose,
les centromères des chromosomes dispersés dans le noyau, vont au bout d’un
certain temps, se regroupent transitoirement au sein d’un « nœud » («
centromere clustering »), puis se couplent de manière non-homologue,
jusqu’à ce que l’appariement entre les centromères homologues soit établi et
stabilisé (« centromere pairing »).
Figure : Lors de l’entrée en méiose chez Arabidopsis thaliana, les chromosomes homologues ne sont pas appariés et leurs centromères sont dispersés dans le noyau. Au bout d’un certain temps, les centromères se regroupent transitoirement au sein d’un « nœud » (« centromere clustering »), puis se couplent de manière non-homologue, jusqu’à ce que l’appariement entre les centromères homologues soit établi et stabilisé (« centromere pairing »). Cette transition vers l'appariement des centromères homologues nécessite l’initiation de la recombinaison méiotique par la protéine SPO11 et la présence de DMC1. L’appariement des bras chromosomiques ou « synapsis » peut ensuite se mettre en place avec l’aide des protéines RAD51, RAD51C et XRCC3. © GRD, Charles White
2. Rapprochement des homologues
Définition des chromosomes homologues :
Les chromosomes homologues, encore appelés autosomes
(uniquement pour les chromosomes non sexuels), sont des
chromosomes, de même taille, possédant les mêmes gènes mais
pas obligatoirement les mêmes allèles.
8
Chez les organismes diploïdes,
- Deux chromosomes homologues appartiennent à la même paire.
- Une paire de chromosomes homologues forme un bivalent.
- L'un des chromosomes homologues est d'origine maternelle, l'autre
d'origine paternelle.
Exemple. Chez l'homme, dans les cellules somatiques, il y a 22 paires de
chromosomes homologues (dits chromosomes autosomes), numérotés de 1 à 22
et une paire de chromosomes sexuels (appelés hétérochromosomes ou
gonosomes : XY chez l'homme, XX chez la femme).
Les deux chromosomes X de la femme sont homologues, mais le chromosome
Y n'est homologue que dans une petite région avec le chromosome X (= régions
pseudo-autosomiques).
Si les chromosomes homologues portent les mêmes gènes, cela ne signifie pas
qu'ils codent la même information génétique puisque le même gène paternel et
maternel peut présenter des mutations : on parle alors d'allèles.
Après la pré-méiose, dans ce regroupement en bouquet des chromosomes
dupliqués, les homologues vont commencer à se rapprocher au cours de la
méiose. Ce rapprochement commence au leptotène ; c’est-à-dire à la prophase
de première division méiotique.
La prophase de la première division méiotique est donc une étape cruciale du
processus méiotique. Trois phénomènes « clefs » s’y produisent:
- Un rapprochement des chromosomes et l’identification de l’homologie des
partenaires,
- L’appariement des homologues,
- La recombinaison méiotique.
Les chromosomes homologues débutent leur rapprochement au leptotène.
Les mécanismes permettant d’expliquer comment les chromosomes homologues
peuvent se reconnaitre lors de la phase précoce d’appariement sont encore très
mal connus. Plusieurs hypothèses ont cependant été avancées :
- Hypo 1. Les mouvements de chromosomes ont lieu au hasard. Ces
mouvements pourraient permettre aux homologues de se rencontrer par
des contacts directs ADN-ADN.
- Hypo 2. Les chromosomes homologues peuvent se reconnaitre grâce à des
protéines servant d’intermédiaires.
- Hyp3. Une reconnaissance spécifique des chromosomes homologues
pourrait aussi avoir lieu grâce à des molécules d’ARN spécifiques de
séquences selon Zickler et Kleckner (1999).
Après ce rapprochement, les chromosomes homologues vont s’appariés. Cet
appariement des chromosomes homologues est un processus complexe
9
Contrairement aux organismes Caenorabditis elegans et Drosophila
melanogaster femelle, pour lesquels l’appariement des chromosomes est
indépendant du phénomène de recombinaison méiotique, l’appariement des
homologues est en partie dépendant des cassures double-brins (Double Strand
Breaks-DSB), chez de nombreuses espèces dont la souris.
En effet, la manière dont les chromosomes homologues s’apparient peut se
diviser en trois étapes séquentielles selon Zickler (2006):
- une phase précoce de reconnaissance des chromosomes, indépendante des
mécanismes de recombinaison,
- une juxtaposition des axes de chaque chromosome homologue (appariement)
- la formation d’un complexe protéique à partir des appariements précédemment
induits (synapse).
Les chromosomes homologues s'apparient et s'échangent des
fragments de brin mélangeant les gènes avec des allèles maternels
avec des gènes aux allèles paternels. C'est le phénomène
d'enjambement (aussi appelé crossing-over) ou recombinaison
intra-chromosomique, qui entraîne une importante diversité
génétique. La recombinaison génétique, ainsi que le réassortiment
aléatoire des chromosomes vont fournir une source importante de
diversité qui permet aux populations eucaryotes de s'adapter aux
conditions environnementales.
10
3. Mouvements chromosomiques
Dans mouvements chromosomiques, nous entendons les différents
itinéraires empruntés par les chromosomes tout le long de la méiose.
Pendant les différentes phases, les chromosomes occupent des positions
différentes dans la cellule. Le mouvement peut concerner aussi le
déplacement des chromosomes homologues les uns par rapport aux autres.
Les premiers mouvements chromosomiques sont observés dès la pré-
méiose. Quels sont les différents mouvements chromosomiques ?
On distingue de façon chronologique :
**. Les mouvements prophasiques I. A la prophase 1, les chromosomes en
se frottant les uns aux autres vont se reconnaître deux à deux comme des
homologues. Ces homologues vont s’apparier de tout leur long pour
former des bivalents. Ce mouvement chromosome est la plus importante
car il va présider aux échanges intra-chromosomiques (échange de
chromatine entre les chromatides d’une même paire de chromosomes). On
parle aussi de brassages intra-chromosomiques. Par des cassures des
doubles brins (CDB) et des soudures, il y a échange de matériel génétique
entre chromatides d’homologues (1 chromatide du chromosome paternelle
et 1 chromatide du chromosome maternelle). Ces cassures et soudures
sont baptisées Crossing-over (CO) ou Enjambement. Les endroits où se
passent les CO forment des nodules de recombinaison.
Ces mouvements commencés au zygotène vont se poursuivre au
pachytène où les nodules sont bien visibles.
A partir du diplotène, un autre mouvement chromosomique s’observe : la
paire de chromosomes homologues, vont se séparer. Les centromères qui
étaient proches vont s’éloigner les uns des autres entrainant avec eux
chacun ses chromatides. Cependant, les chromosomes resteront unis au
niveau des nodules de recombinaison. Ce mouvement de séparation se
poursuit et prend fin à la diacinèse avec la terminalisation des chiasmas
(ou chiasmata).
Les chiasmas ne correspondent plus aux lieux d’échanges
chromosomiques
Remarques
R1. Concernant les chromosomes sexuels : Comment l'appariement se fait-il
pour les chromosomes sexuels (paire n° 23 chez l’homme) qui sont différents, le chromosome X féminin étant nettement plus grand que le chromosome Y masculin ? En réalité, ces deux chromosomes présentent une petite région d'homologie à l'une de leurs extrémités (régions télomériques), et cette région est suffisamment grande pour qu'il s'y produise en général un chiasma.
11
C'est ce chiasma qui va permettre à ces deux chromosomes de rester assemblés pendant la métaphase.
R2. Ces homologies télomériques sont à la base des chiasmas qui
permettent de maintenir les chromosomes homologues ensemble à la
diacinèse et à la métaphase.
12
13
14
**. Mouvements métaphasiques I. Les bivalents (paires de chromosomes
homologues) Une caractéristique de cette métaphase I est le fait que les chromosomes restent assemblés en bivalents, retenus entre autres par leurs chiasmas. Ces bivalents vont alors aller se placer à la plaque équatoriale (PE). La distribution des bivalents à la métaphase est un « pure hasard ». Ce mouvement des chromosomes et leur distribution au « hasard » à la PE est le fondement du brassage inter-chromosomique.
**. Mouvements anaphasiques I. Le premier mouvement anaphasique est
la séparation complète des chromosomes d’un même bivalent. Chaque
centromère étant orienté vers un pôle différent. Le brassage intrachromosomique qui a eu lieu pendant la prophase, grâce aux crossing-over et aux échanges de fragments de chromosomes (donc d'ADN) prend maintenant tout son sens car les 2 chromatides sœurs d'un même chromosome ne sont pas identiques. Le schéma montre une combinaison possible de répartition des chromosomes, parmi un nombre gigantesque.
Le deuxième mouvement anaphasique est la migration des chromosomes
(bichromatidiques) vers chaque pôle. Les chromosomes homologues sont
tirés chacun vers un pôle différent.
15
** Mouvements télophasiques I. Les mouvements des chromosomes,
vers les pôles opposés, commencés à l’anaphase s’achèvent à la télophase
avec le regroupement des chromosomes à ces deux pôles. Ce sont ces
deux lots de chrmomosomes qui vont constituer les deux noyaux des deux
cellules filles qui vont être séparées à la PE par la membrane plasmique
(plus parois pour les cellules végétales).
**. Mouvements métaphasiques II. Les mouvements concernent les
chromosomes des deux cellules filles haploïdes (1n = 2C). Les
mouvements chromosomiques qui se passent dans l’une des cellules filles
sont les mêmes dans l’autre des cellules filles, simultanément et de façon
synchrone. On décrit les mouvements chromosomiques dans l’une des
cellules filles :
16
Les chromosomes, condensés (brèves interphase et prophase),
individuellement, vont faire mouvement vers la PE. Ils vont s’aligner sur
cette PE avec leurs centromères.
**. Mouvements anaphasiques II. Le mouvement concerne chaque
chromatide de chaque chromosome. Les chromatides, séparées par la
digestion de la cohésine, chaque chromatide migre vers le pôle opposé à
sa chromatide sœur.
17
** Mouvements télophasiques II. Le mouvement chromosomique
commencé à l’anaphase II se poursuit et prend fin à la télophase II avec le
regroupement de chaque lot de chromatides aux pôles opposés.
Les mouvements chromosomiques prennent ainsi fin avec le retour à l’état
de chromatine des chromosomes.
C] Un complexe synaptonémal intervient dans l'appariement
des chromosomes
Comme nous l’avons vu tout le long de la méiose, les chromosomes font l’objet
de modifications et de mouvements complexes. Certains de ces changements
sont des changements d’une grande importance dans l’évolution des
chromosomes : ceux sont des changements morphologiques complexes qui ont
lieu dans les chromosomes au moment où ils s'apparient (synapsis ou syndèse) et
se séparent (asynapsis ou asyndèse) au cours de la méiose I. Précisément à la
prophase qui est définis par des modifications morphologiques.
L'événement le plus frappant est le début du rapprochement étroit des
chromosomes (au moment du zygotène), dans une structure particulière, appelée
complexe synaptonémique ou synaptonémal, qui commence à se développer
entre les chromosomes homologues.
Définition.
Le complexe synaptonémal est une structure ou complexe protéique particulier
qui apparaît (stade zygotène) puis disparaît (diplotène) au cours de la prophase I,
18
lors de l’association des chromosomes homologues entre eux. Cet appariement
est un synapsis
1. Composition du complexe
Au stade pachytène, le complexe synaptonémal semble établir une connexion
entre les chromosomes homologues sur toute leur longueur.
Le complexe synaptonémal est composé d'une longue matrice protéique qui a
l'aspect d'une échelle de chaque côté de laquelle les deux homologues sont
étroitement apposés pour former une longue paire de chromosomes linéaires.
Les chromatides-sœurs de chaque chromosome sont maintenues étroitement
associées, leurs chaînes d'ADN faisant saillie vers l'extérieur sous forme de
boucles du même côté de l'échelle protéique. Les deux chaines d’ADN
homologues sont maintenues par le complexe.
Le complexe est composé de deux axes (éléments) latéraux, d’un axe central et
d’un nodule de recombinaison. De part et d’autre de ce complexe protéique
s’étend d’un côté l’ADN de la chromatide paternelle et de l’autre côté l’ADN de
la chromatide maternelle.
Au moment de l'appariement, les axes semblent adhérer entre eux pour devenir
les éléments latéraux du complexe synaptonémal qui constituent les deux
montants de l'échelle protéique. Les axes et les éléments latéraux contiennent
tous une protéine dont la réactivité exceptionnelle aux colorants argentiques
permet de visualiser ces structures, aussi bien en microscopie optique qu'en
microscopie électronique.
19
Micrographies électroniques montrant le complexe synaptonémal :
visualisation des éléments centraux et transverses.
Dans le cas de la méiose, les chromatides sœurs d’un chromosome sont
associées par un complexe cohésine. Cette cohésine est une composante
du complexe.
Plusieurs composants ont été caractérisés en particulier chez S.cerevisiae :
Eléments latéraux : Red1p Scp2 et Scp3 (qui reste associé au complexe
cohésine jusqu’à la séparation des chromatides); éléments latéral et
central : Zip 1p.
L'appariement des chromatides homologues démarre sur l'enveloppe
nucléaire et progresse le long des chromosomes « comme une fermeture
éclair ». En microscopie électronique, il apparaît constitué d'éléments
latéraux parallèles, complexes de cohésines, et d'un élément central dense
aux électrons relié aux précédents par des filaments transverses. On
remarque également à certains endroits sur l'élément central des nodules
de recombinaison, c'est aux endroits où se situent ces nodules que les
chromatides vont s'enjamber (pour créer des enjambements) : les
chiasmata sont donc dus à la présence de nodules de recombinaison, et il
peut y en avoir plusieurs par chromosome.
20
2. Formation du complexe
Le complexe protéique commence à se former au zygotène. A la pachytène, ce
complexe est visible et net. Ce complexe disparait à la fin du pachytène pour
laisser les nodules de recombinaison au niveau des bivalents.
Le phénomène de synapsis marque la fin du stade leptotène de la prophase 1 de
la division réductionnelle de la meiose et l'initiation du 2e stade de la prophase 1
qui est le zygotène. La synapsis commence souvent par un rapprochement des
extrémités homologues des deux chromosomes au niveau de l'enveloppe
nucléaire, d'où l'alignement des chromosomes homologues l'un à côté de l'autre.
21
3. Localisation des complexes synaptonémiques
Durant la synapsis, les bras des chromatides homologues adjacentes
subissent l'enjambement ou autrement un brassage intra-
chromosomique qui se crée en un ou plusieurs points d'ancrages appelés
chiasmats tous le long du synapsis. En général, plus les chromatides sont
longues, plus les chiasmas sont nombreuses. Ils sont tout le long du
chromosome.
22
4. Nodules de recombinaison
Le nodule de recombinaison est une composante du complexe
synaptonémique. Le nodule se forme au pachytène : (pachy : du grec pakhus
[pachy-], épais, gros). Pendant cette phase, il se produit les crossing-over ou
enjambements, grâce à l'apparition de nodules de recombinaison. Le nodule
est le lieu des échanges de chromatine entre le chromosome d'origine
maternelle et le chromosome d'origine paternelle. L’apparition du nodule
complète le complexe synaptonémal.
5. Rôle du complexe synaptonémique
A quoi sert le complexe synaptonémal?
- Le complexe synaptonémal est un complexe protéique qui se constitue au
zygotène, et disparait à la fin du pachytène, et permet l'appariement ( ou
synapsis) entre les chromosomes homologues. En s'appariant les
chromosomes forment alors un bivalent (ou tétrade).
- Le complexe est nécessaire à la formation de bivalents.
- La recombinaison génétique nécessite un contact étroit entre les
chromosomes. Le complexe synaptonémal, maintient les chromosomes
étroitement alignés l'un en face de l'autre et l'on pense qu'il est
indispensable à la formation des enjambements.
- Par la présence de nodules, le complexe est le lieu des échanges de
chromatine entre le chromosome d'origine maternelle et le chromosome
d'origine paternelle en favorisant les crossing-over ou enjambements.
NB. La mise en place d’un complexe synaptonémal cohérent est nécessaire à
la formation des bivalents chez Arabidopsis. En son absence, le stade
pachytène ne peut être défini (chez le mutant asy), et ne présente pas non
plus de bivalents en métaphase I.
23
24
D] Les chromomères
1. Définition
A certains moments précis, notamment lors de la prophase de la méiose I, les
éléments fondamentaux filamenteux des chromosomes appelés chromonèmes
sont aisément identifiables. Sur chaque chromonème (chromonéma), sont
alignés, à l’image des perles, mais à des intervalles irréguliers, des parties
intensément colorables (aux colorants basiques). Ces parties du chromonéma
qui prennent intensément les colorants sont appelées chromomères : vient du
grec meros [mér(o), mérisme, mère]
2. Quelques caractéristiques des chromomères
- Ils sont repartis en disques ou renflements (bandes), superposés tout le
long du chromosome. Ils (zones sombres) alternent avec des parties non
colotrées du chromosome (zones claires = hyalomères).
- L’arrangement ou répartition des chromomères le long du chromosome
est caractéristique de chaque chromosome.
- Les positions des chromomères sont identiques dans tous les
chromosomes homologues. Dans ces homologues, les chromomères, qui
se correspondent, se trouvent à peu près au même niveau de tous les
brins ; d’où l’impression de bandes ou de disques. Ils sont très utiles
comme marqueurs.
- Ils se distinguent aussi par leur forme, taille et nombre. Peut atteindre 500
selon les circonstances chez le chromosome polytène de la drosophile.
- Bien que leur nature moléculaire soit mal connue, on pense qu’ils sont
composés d’un fragment de la double hélice d’ADN avec les histones et
des protéines associées.
25
3. Rôles des chromomères
Il y a une divergence du point de vue de la fonctionnalité des
chromomères.
- la quantité de chromomères étant égale à peu près au nombre de réplicons,
ils pourraient représenter des sous unités fonctionnelles de la réplication.
- Les chromomères contiennent un nombre plus ou moins grand de gènes.
- Les chromomères jouent un rôle important dans la condensation de la
chromatine à la prophase.
- Chez la drosophile, le chromomère 3D4 (du chromosome X) est
nécessaire pour le maintien des niveaux de l’AMPc qui contrôlent la
fertilité des mâles et des femelles (au cour de la gamétogenèse). Il
contrôlerait la thermolabilité ou thermostabilité de certaines enzymes.
E] le complexe nucléolaire
Le complexe nucléolaire fait partir du noyau. Il est composé du nucléole, des
stellites et des organisateurs nucléolaires.
1. Le nucléole
Le nucléoplasme correspond à une matrice qui est délimitée par la
membrane interne du noyau. Bien qu’il n’y ait pas de structures
membranaires internes il est structurellement et fonctionnellement
compartimenté. On distingue :
le nucléole
la chromatine
le nucleosquelette
Définition. En biologie cellulaire, le nucléole est un sous-compartiment
cellulaire du noyau.
Le nucléole est un organite cellulaire eucaryote situé dans le noyau. C’est
une région du noyau, observable au microscope optique(grâce à des
colorants basiques(Pyronine en rouge et bleu de Giemsa)) et électronique
(il est dense aux électrons). Considéré comme un organite, le nucléole
n’est pourtant pas entouré d’une membrane lipidique et n’est donc pas
séparé physiquement du noyau. Il peut être considéré comme une
inclusion du noyau.
-
26
Quelques caractéristiques du nucléole
- C'est la microscopie électronique qui a véritablement permis l'observation
de ses composants. En microscopie électronique, on remarque le nucléole
dans le noyau par sa forte densité aux électrons (il forme un point sombre
dans le noyau). Ceci est dû à la présence de nombreux ARN et au fait que
le nucléole soit associé à de l'hétérochromatine (ADN fortement
condensé).
- Dans le noyau le nucléole apparaît comme un corpuscule sphérique très
dense et c’est la structure la plus visible en microscope électronique ou
optique.
- Chez les eucaryotes supérieurs, il apparaît au cours de l’interphase du
cycle cellulaire et disparaît au cours de divisions cellulaires. C’est donc
une structure dynamique.
- On observe généralement un nucléole par cellule. Mais parfois il peut être
présent en plusieurs exemplaires en fonction de l’état et de l’activité de la
cellule : On observe de 4 à 7 nucléoles juste après la mitose, puis ils
fusionnent entre eux, se présentant généralement sous la forme de 2
nucléoles en début de phase G1 et de 1 nucléole en fin de phase G1 et
durant toute la phase G0.
Le chercheur Stanley Miller fut le premier à isoler par centrifugation le nucléole
du noyau de plusieurs cellules, puis décompacter les composants fibrillaires
denses qu'il contient
Structure ou organisation du nucléole.
- Le nucléole est parfois différencié en trois zones :
la zone fibrillaire centrale (centres fibrillaires (FC))
la zone péricentrale fibrillaire dense (DFC), entourant partiellement ou
totalement les FC
la zone granulaire, périphérique (composant granulaire (GC) dans lequel
est enchâssé les FC et le DFC).
Notons que le plus souvent, on parle de deux zones :
Zone fibrillaire centrale
Zone granulaire, périphérique
- En les observant au microscope électronique en transmission, Miller a
donné la composition du nucléole qu’il a appelé des "arbres de Noël" à
cause de leur forme :
27
Le "tronc" de ces arbres est une molécule d'ADN (ce que l'on peut mettre
en évidence avec un test à la DNase), les "branches" sont des ARNr, les
"boules" des protéines diverses et les grains raccordant les branches au
tronc sont des ARN polymérases. On peut donc dire que les composants
biochimiques du nucléole sont :
** ARN, majoritairement des ARNr (transcrits dans la zone fibrillaire et
maturés dans la zone granulaire). Les pré-ARNr ne sont pas épissés, ils
sont clivés par plusieurs ribonucléases.
** Protéines :
l'ARN polymérase I, qui transcrit les locus d'ADN ribosomique en
un précurseur de 45 S (pré-ARNr) (35 S chez Saccharomyces
cerevisiae).
des enzymes diverses et
des protéines de liaison dont certaines sont argyrophiles (colorable
par l'argent).
28
4. Rôle du nucléole.
Le nucléole Le nucléole est un organite nucléaire indispensable dans la
vie de la cellule. Il est impliqué dans des fonctions très diverses telles
que :
- C’est le lieu où se produit la transcription des ARN
ribosomiques1 (ARNr), qui constituent avec des protéines, les deux sous-
unités des ribosomes. Le nucléole contient 200 unités de transcriptions
pour les ARN ribosomiques par l’ARN polymérase 1 qu'il code. Ces
ARNr (18S, 5,8S et 28S) entreront dans la fabrication des ribosomes en
s’associant avec des protéines ribosomiques.
- C’est le centre de formation des ribosomes. Cette formation s'effectue en
plusieurs étapes qui se déroulent dans les zones fibrillaires et granulaires.
- Le nucléole est impliqué dans le contrôle du cycle cellulaire.
- Il est aussi impliqué dans la modulation de l’activité de la protéine p53
(une protéine impliquée dans la défense contre les lésions de l'ADN. C’est
aussi un facteur de transcription (protéine qui régule la transcription d'un
gène en se fixant sur son promoteur)
Notons que l’activité et la taille du nucléole varient en fonction de l'intensité de
la synthèse des protéines, la prolifération ou la différenciation cellulaire. Le
nucléole est d'autant plus grand que la biosynthèse des ribosomes est importante
dans la cellule qui le contient.
29
2. Organisateurs nucléolaires
Dans le noyau, les nucléoles sont situés à proximité de constrictions
secondaires des chromosomes. Ces constrictions secondaires sont
appelées organisateurs nucléolaires (ON). L’ON occupe une position bien
défini dans le jeu de chromosomes. Les ON contiennent les gènes (en
tandem ; de 150 à 250 copies) qui codent pour l’ARN ribosomal.
Les ON ne fixent pas les colorants habituels de la chromatine.
L’ON est un lieu de fortes translocations.
Dr TIECOURA Kouakou
Docteur en Sciences Botaniques
Spécialité : cytogénétique et manipulations génétiques
Laboratoire de Génétique et amélioration des espèces végétales et animales
Université Félix Houphouët Boigny de Cocody-Abidjan
[email protected] Tel : 05 65 86 18
30
Travail de recherche (TPE= Travail Personnel de l’Etudiant)
L’appareil mitotique et son fonctionnement
A/ Le fuseau
B/ Les microtubules
1. La composition
2. L’assemblage
3. La disposition dans le fuseau
C/ Structures polaires
1. Les centrioles
2. Autres structures polaires (les non permanentes)
3. Les Asters
4. Le rôle des structures polaires
5. La formation du fuseau
D/ Le centromère = Kinétocorps
E/ fonctionnement de l’appareil mitotique
1. Fixation des chromosomes
2. Déplacement des chromosomes
F/ Mitoses primitives ou aberrantes
G/ La cytocinèse ou cytodiérèse