Mitose et apoptose PDF - Biologie cellulaire

Mitose et apoptose La mitose ========= **Le cytosquelette** est très important dans la division cellulaire. Il joue un rôle essentiel à toutes les différentes étapes de la mitose. La mitose sert à dupliquer une cellule mère en deux cellules filles contenant le même génome. Pour ce faire, il fau...

Mitose et apoptose La mitose ========= **Le cytosquelette** est très important dans la division cellulaire. Il joue un rôle essentiel à toutes les différentes étapes de la mitose. La mitose sert à dupliquer une cellule mère en deux cellules filles contenant le même génome. Pour ce faire, il faut qu'il y ait une **réplication** de chaque chromatide (lorsque condensée, elle forme un chromosome simple) en chromosome double. Les chromatides sœurs dupliquées se sépareront pour **se répartir de façon symétrique** dans les cellules filles. ### Le cycle cellulaire (mitose et interphase) La **mitose** correspond au stade de la **division cellulaire** (quand les chromosomes sont partagés dans deux cellules filles) **Toutes les autres étapes** font parties de **l'interphase** (inclus l'étape S (duplication de l'info génétique) et les étapes gap) Etapes principales de la mitose ------------------------------- 1. **Prophase** (avec prométaphase)** **: Phase de **condensation** des chromosomes. À ce stade, un chromosome est formé de deux chromatides reliés par leur centromère respectif (conséquence de la duplication). Les chromosomes vont de pair (un maternel et un paternel). *NB : sur le schéma, seul un des 2 chromosomes homologues est représenté* *NB : centromère =/= centrosome* 2. **Métaphase **: Les chromosomes **s'alignent** sur la **plaque métaphasique** et se retrouvent rassemblés au milieu de la cellule (alignement sur 1 plan). Cependant, les chromatides sont encore attachés. 3. **Anaphase **: **séparation des deux chromatides** et chacune migre vers un des pôles de la cellule. 4. **Télophase **: le jeu de chromosome est complètement séparé, **reconstitution** **d'enveloppe** **nucléaire** et formation/**séparation** des deux cellules filles La phase de séparation des chromosomes est très importante car il faut que chaque **cellule fille récupère comme prévu le même nombre de chromosomes**. Sinon, cela conduit à des **aberrations génomiques**. Phosphorylation des protéines ----------------------------- ### Phosphorylation des protéines (est réversible) : La phosphorylation des protéines se fait à partir de **l'hydrolyse de l'ATP en ADP **: le groupement phosphate est retiré et couplé sur la **fonction OH** (alcool) de la protéine. Ce faisant, un groupement de **phosphate** **chargé** est ajouté par une liaison **covalente**, ce qui modifie les propriétés de la protéine. - Devient très hydrophile - Charge et la répartition des charges et de la confirmation de la protéine **La phosphorylation** ne se fait que sur les acides aminés qui portent des groupements OH : **Sérine, Thréonine, Tyrosine.** - Pas la même chose ni les mêmes conséquences ### Kinase (phosphoryle) et phosphatase (déphosphoryle) famille des transférases La phosphorylation est une modification qui s'opère **uniquement dans le cytoplasme**, c'est donc **toujours une modification post-traductionnelle**. Comme on fixe un groupement phosphate, très hydrophile, sur une protéine, on change les propriétés de repliement localement. Cela sert donc à **moduler l'activité de la protéine**. Les protéines sont soit activées soit désactivées par phosphorylation. **500 kinases et 100 phosphatases** Parmi les nombreuses enzymes régulées par phosphorylation/déphosphorylation, il y a les **kinases** qui sont elles-mêmes en général **inactives sous forme déphosphorylée**. Certaines **interactions protéiques** peuvent aussi être affectées par l'ajout/retrait d'un groupement phosphate. Cette modification covalente contrôle aussi la **stabilité d'une protéine** (si elle doit être dégradée ou pas). La phosphorylation des protéines joue également un rôle dans la **localisation intracellulaire**. Toutes ces généralités sur la phosphorylation des protéines s'appliquent donc aussi aux **lamines nucléaires**, éléments du cytosquelette. - Liées à l'émerine et chromatine Rôle des lamines nucléaires (**filament intermédiaire** dans noyau) ------------------------------------------------------------------- **Filaments intermédiaires :** - Filaments très stables et résistants mécaniquement. - Ils ne servent **pas au transport intracellulaire** car ils ne sont **pas polarisés** (pas comme microtubules et filaments d'actines). - Particularité : les lamines nucléaires sont **les seuls éléments de cytosquelette** présents dans le noyau de la cellule (cytosquelette interne du noyau qui a probablement comme fonction d'assurer la résistance du noyau à des forces mécaniques). - Elles sont **stables sous forme déphosphorylées** et dépolymérises lorsqu'elles sont phosphorylées. La phosphorylation des lamines affecte leur fonction. Cela joue un rôle dans la division cellulaire. [**En interphase **: ] Dans le noyau, les lamines sont sous forme polymérisée (donc déphosphorylé) et sont stables en tout temps (contrairement aux microtubules dynamiques). Elles sont sous forme **non-phosphorylée**.  **[Prophase : ]** **La phosphorylation** provoque le **désassemblage** des lamines qui se retrouvent sous forme **dépolymérisées.** **Il y a fragmentation de l'enveloppe nucléaire** : le noyau se désagrège, les chromosomes se retrouvent donc dans le cytosol. - Qui était structurée -\> membrane qui flotte - Phosphorylation = pas toujours activation mais ici inactivation **[Télophase : ]** **Déphosphorylation** et **réassemblage** des lamines, il y a **repolymérisation**. **Réassemblage de l'enveloppe nucléaire** dans chacune des deux cellules filles, puisque les lamines reforment un cytosquelette. - Comme interphase mais cette fois **DEUX** - **Réversible** **[Effet des protéines associées à la tubuline : un exemple de régulation ]** Tubuline libre -\> polymérisation -\> microtubules -\> dépol -\> tubuline libre Stathmine + tubuline -\> **limite polymérisation -\> moins de microtubules** Stathmine **phosphorylée** -\> ne peut plus s'associer à la tubuline -\> **polymérisation normale** La mitose a un effet -\> sur la phosphorylation de la stathmine -\> via des signaux cellulaires qui vont activer les kinases -\> augmenter la polymérisation **Effet -\> augmenter la polymérisation** Fuseau mitotique (structure des **microtubules**) ------------------------------------------------- **Le fuseau mitotique est une structure** formée par les **microtubules** et qui intervient à plusieurs étapes de la mitose. [Déf fuseau mitotique] : Lors de la division cellulaire, le fuseau mitotique ou appareil mitotique achromatique d\'une cellule désigne une structure formée de microtubules disposés en un ensemble bipolaire en forme de fuseau, renflée en son milieu. [**Prophase **: ] Le fuseau mitotique commence à se former durant la prophase. Le centrosome a été répliqué pendant l'interphase en deux centrosomes qui sont restés accolés. Durant la prophase, il y a d'abord **séparation des centrosomes** et chacun **migre vers un pôle de la cellule**. On a donc *deux centres organisateurs* de microtubule avec à chaque fois un centrosome contenant des faisceaux de microtubules qui se répandent autour du noyau de la cellule. Mise en place du fuseau + ancrage des microtubules-chromosomes ### Les types de microtubules On distingue **plusieurs types de microtubules** qui forment le fuseau mitotique à partir des centrosomes. 1. **Les microtubules polaires **: Ils s'étendent depuis un centrosome jusqu'à établir un **contact** avec un autre **microtubule** connecté au centrosome du **pôle opposé**. Les premiers contacts entre les microtubules de pôles opposés peuvent se former alors que l'enveloppe nucléaire est en début de dégradation. 2. **Les microtubules du kinétochore** : Ils s'étendent depuis chaque centrosome et établissent des **contacts** avec les **chromatides** par les **kinétochores** (structure collée au centromère et permet la séparation des chromosomes) Chacun des chromosomes, avec ses deux chromatides, va établir des contacts avec les deux pôles du fuseau mitotique. 3. **Les microtubules astraux : Ils émanent** des centromères à chaque pôle en **direction** de la périphérie vers la **membrane**. **[Métaphase : ]**  Au moment de la métaphase, chaque chromosome est attaché aux deux pôles de la cellule par des microtubules qui s'attachent au kinétochore de chaque centromère. **Chaque pôle tire avec ses microtubules** et produit une **force de traction** sur les kinétochores de chaque chromatide. C'est ce qui permet l'alignement des chromosomes sur « l'équateur **»** de la cellule que l'on appelle** la plaque métaphasique.** C'est **un point critique de contrôle** de division de la cellule. En effet, il faut que tous les chromosomes soient sur cette plaque métaphasique pour que la suite de la mitose ait lieu. Si cette étape n'est pas correctement réalisée, les chromosomes risqueraient d'être mal répartis. [Ex] : Le **taxol** (drogue qui inhibe la dépolymérisation) peut interférer avec cette étape en **inhibant la dépolymérisation** des microtubules ce qui empêche la dynamique fonctionnelle du fuseau. **[Anaphase : ]** Cette phase engage de manière **irréversible** la suite de la division cellulaire. C'est la **séparation des chromatides**. L'éloignement des centrosomes de chaque pôle vers l'extrémité du fuseau entraîne une force de traction sur chaque chromatide vers ceux-ci. [La **séparation des chromatides** est occasionnée par 3 mécanismes : ] 1. **Raccourcissement des microtubules du [kinétochore]** : Des protéines motrices de type **dynéine** (vers l'extrémité -) fait **s'écarter** **les** **kinétochores** sur les **microtubules** qui **dépolymérisent** en accompagnant le mouvement. Ils appliquent ainsi des forces de traction qui séparent les deux chromatides. **Les dynéines bougent** et tirent les chromatides vers les centrosomes - Déplacement actif de la chromatine 2. **Allongement et glissement des microtubules [polaires]** : *Simultanément, des protéines motrices multimériques de type **kinésine** (vers l'extrémité +) font coulisser les microtubules polaires qui, en s'allongeant, **éloignent** les **pôles du fuseau**.* - Dimérique plus et moins : gauche monte et droite descend 3. **Traction des microtubules [astraux] **: Ils émanent des pôles vers la membrane plasmique où sont accrochées des protéines motrices de type **dynéine**. Comme elles ne peuvent pas se déplacer, ce sont les microtubules astraux qui **coulissent** et qui **tirent** **chaque** **centrosome** du faisceau vers un des pôles de la cellule. **les dynéines sont accrochées** à la membrane donc ne bougent pas et tirent les microtubules (rapprochent le centrosome vers la membrane) ### Inhibition des microtubules arrêt de la division cellulaire On peut inhiber le fonctionnement du fuseau mitotique en inhibant le système des microtubules. Cette inhibition peut se faire **par des drogues** qui vont affecter l'équilibre dynamique. Le principe reste le même, la drogue se fixe soit sur la tubuline libre soit sur la tubuline polymérisée (microtubules) avec comme finalité une stabilisation. pas de dépolymérisation Le **taxol** est un médicament capable d'affecter des cellules en division rapide. Sans tubuline libre pour le fuseau mitotique, cela engendre un **blocage** **en** **métaphase** des cellules cancéreuses. **les cell ne peuvent plus se diviser** **Taxol** -\> pas de réarrangement - Polymérisation -\> synthèse du cancer Rôle du cytosquelette **actine** -------------------------------- **[Télophase :]** ### Anneau contractile d'actine pendant la cytodiérèse Le dernier élément du cytosquelette qui entre en jeu lors de la mitose est le **cytosquelette actine.** Il intervient **juste à la fin de la division**, lors de la **cytodiérèse** (cytokinèse) qui est la **séparation** **physique** des deux **cellules** **filles**. **La cytodiérèse suit la télophase** pendant laquelle il y a eu séparation puis décondensation des chromosomes suite à la formation de nouvelles enveloppes nucléaires. Pour assurer la séparation correcte des deux cellules filles, il faut qu'il y ait un **resserrement** de la **membrane**. Il y a donc formation dans le cytoplasme d'un **anneau contractile** **d'actine** associée à de la **myosine II**. Cet anneau se resserre progressivement en faisant coulisser les filaments d'actine et reste attaché à la membrane. Mort cellulaire programmée (apoptose) ===================================== Mise en évidence (la dégradation des cell est un mécanisme organisé) -------------------------------------------------------------------- La mort cellulaire programmée est appelée l'apoptose. Cette mort est **déclenchée** et **contrôlée** par la **cellule** elle-même. Cela est notamment nécessaire durant l'embryogénèse car elle est utile à la **séparation de membres** (pour que nos mains ne soient pas des palmes). Les cellules reçoivent un signal qui déclenche l'apoptose ### 2 types de mort celllulaire (apoptose / nécrose) Il existe 2 termes quand on parle de mort cellulaire : - **Apoptose **: Mort cellulaire programmée permettant la **régulation** du **cycle cellulaire**. Ce mécanisme permet d'éviter l'accumulation de déchets. - **Nécrose **: Mort cellulaire **traumatique** à la suite d'un stress intense. C'est une mort rapide ne permettant pas la « planification ». La membrane se rompt et déverse le contenu de la cellule dans le milieu extracellulaire ce qui peut provoquer des problèmes d'auto-immunité dans l'organisme. Exemple : amibe 20k se sacrifient grenouilles vieux organes pour nouveaux palmes ### Organisation de l'apoptose (mécanisme) 1. **Condensation** du noyau, appelée la **pycnose**  2. **Blebbing** : Déformation de la membrane qui crée des « bourgeons ». Des **fragments** s'en détachent tout en restant **entourés** **de membrane** contenant des éléments de la cellule. Ainsi, la membrane ne s'étant pas rompue, aucun déchet n'est relâché. 3. **Phagocytose** les fragments de la cellule sont **ingérées** par une **cellule voisine** qui les détruit (phagocytose) **La mort cellulaire programmée est une manière de mourir proprement sans laisser de débris dans l'organisme.** ### Gènes de la mort *Grâce à l'observation des vers C. elegans, des chercheurs ont décrit le devenir de chaque cellule à l'intérieur de l'organisme et le phénomène de mort programmé.* *Leur stratégie a été de chercher des mutants chez lesquels la mort cellulaire programmée est affectée.* Plusieurs sortes de mutants ont été trouvés, dont : - **Effets indirects** - **Gène ced-1-2 : pas de phagocytose des cellules mortes -\> meurent quand meme** - **Gène ced-3 :** Mutant sans mort cellulaire (caspases manquantes) [Analyse] : ça indique qu'il y a dans les cellules un mécanisme essentiel pour qu'elles meurent. Chaque cellule possède en elle un mécanisme qui lui permet de s'autodétruire. - **Gène ced-4** : pas de mort des cellules (apaf-1) pro **apoptose** - **Gène ced-9 **: Cellules qui ne devaient pas mourir mais qui meurent (Bcl2 manquant) [Analyse] : la cellule a aussi des mécanismes qui lui permettent de se prémunir contre la mort programmée. **Anti-apoptose** **Tous ces gènes « de la mort » permettent de contrôler le phénomène de mort cellulaire programmée.** [Conclusion ]: Chaque cellule a des **mécanismes** **internes** pour **s'autodétruire** et des mécanismes **régulateurs** qui la **protègent** ou retarde la mort cellulaire programmée. La phagocytose qui suit sert uniquement au nettoyage des débris. Caspases (enzymes protéases) ---------------------------- Les caspases sont des familles **d'enzymes protéases.** C'est le gène **ced-3** qui code pour ces enzymes. Leur particularité est la suivante : quand elles sont produites elles sont sous forme inactives et c'est seulement après **protéolyse** (coupure protéolytique irréversible) qu'elles sont **activées**. Cette coupure est faite par une autre protéase. - **Pas de réversibilité car coupure** Cela permet d'enclencher une **cascade d'activation** : un signal (externe ou interne) induit l'activation d'une caspase qui, une fois activée, va en activer d'autres et ainsi de suite. **Le signal -\> protéase une qui vient protéase l'autre !** **[Types de caspases]** = *Cystein-dependant ASPartate-directed proteAS dans toutes les cellules :* [ ] - **Initiatrices **: reçoivent un signal et déclenchent la cascade. Elles vont ainsi activer les autres caspases. - **Effectrices **: leur fonction principale est de détruire des éléments vitaux de la cellule, c'est-à-dire d'enclencher l'apoptose. **Dernière étape est la destruction des lamines nucléaires + autres protéines** Ce mécanisme d'activation est **irréversible**, c'est-à-dire qu'une protéine activée par protéolyse **reste activée**. Cela signifie donc que lorsqu'il commence, le mécanisme est irréversible et conduit à la mort cellulaire. Une régulation est donc nécessaire pour empêcher des morts inopportunes. Régulation de l'apoptose ------------------------ ### Voie extrinsèque (réponse aux signaux externes) A la surface des cellules, se trouvent des **récepteurs au TNF** (« tumor necrosis factor »). **Lorsque TNF se lie à son récepteur cela déclenche une cascade d'activation de caspases dans le cytosol. L'apoptose est ainsi déclenchée.** C'est donc une première manière de **déclencher l'apoptose** par un signal externe qui provoque l'activation des caspases. *NB : Un seul récepteur est représenté mais il y a en réalité beaucoup de récepteurs qui activent de nombreux réseaux d'activation.* ### Voie intrinsèque #### b.1) régulation interne : rôle des mitochondries #### Lors de la régulation interne, ce sont les **mitochondries** qui contrôlent le déclenchement de l'apoptose. Des signaux lui donnent des indications sur l'état physiologique de la cellule. Un stress intracellulaire engendre la **perméabilisation** de la **membrane externe** de la mitochondrie. Des **protéines pro-apoptotiques Bax** forment des pores sur la membrane externe laissant passer dans le cytoplasme des protéines se trouvant normalement dans l'espace intermembranaire, notamment le **cytochrome C.-\> signal ** **Bax -\> si assez de pores -\> Cyto c sort -\> mort cellulaire** **Bcl2 (ced-9) -\> bloque le pore** Le **cytochrome C** s'associe avec **APAF-1 (ced 4 )** et ils vont ensemble **activer les caspases**. ### Protéine anti-apoptose (BCL-2) La protéine **anti-apoptotique BCL-2** bloque la formation du pore Bax, ce qui empêche le relargage du cytochrome C dans le cytoplasme. Tous ces mécanismes permettent une régulation fine de l'apoptose selon l'état de la cellule. La cellule ne meure donc pas directement du stress mais des conséquences de celui-ci. #### b.2) Régulation interne : p53 (p53 = taille de la protéine) Il existe aussi des signaux internes plus spécifiques qu'un simple stress qui ont également pour effet d'induire la mort cellulaire programmée. **La protéine p53 **a la particularité est de sentir les **lésions de l'ADN** qui l'activent. Son rôle est de provoquer un **blocage des divisions cellulaires**. Afin de bloquer les divisions cellulaires, p53 est transportée dans le noyau et agit en tant que **facteur de transcription** ce qui module l'expression de certains gènes. Cela induit ensuite des mécanismes de **réparation de l'ADN**. Puis, si la cellule **n'arrive pas à réparer son ADN**, p53 induit la production de **Bax** qui provoque la mort cellulaire. Si une lésion est **irréparable**, cela évite à une cellule dont le génome est endommagé de proliférer. - **Extrinsèque via TNF ou TNF r aussi possibl**e La vie, la mort, la santé (maladies neuro-dégénératives et cancers) ------------------------------------------------------------------- L'apoptose est intimement liée à notre santé. **Trop de mort cellulaire** joue un rôle dans le développement de maladies neuro-dégénératives. Une **quantité de mort cellulaire insuffisante** permet une division anarchique et provoque des **cancers**. **[Exemple du neuroblastome] :** - La surexpression Bcl-2 (résistance apoptose) et la perte de caspase 8 mènent à une diminution de l'apoptose ce qui cause un **cancer**. - Un changement dans l'expression du récepteur au TNF peut mener à la **régression spontanée des tumeurs**. -\> TNF abondant -\> tumeur régresse