Contrôle du cycle cellulaire PDF

Contrôle du cycle cellulaire ***Le contrôle du cycle cellulaire** est une problématique essentielle dans la physiologie de l'organisme car de très nombreuses cellules vivent ensemble et doivent savoir quand se diviser ou non.* *Par exemple, le **cancer** est un problème du contrôle du cycle cellul...

Contrôle du cycle cellulaire ***Le contrôle du cycle cellulaire** est une problématique essentielle dans la physiologie de l'organisme car de très nombreuses cellules vivent ensemble et doivent savoir quand se diviser ou non.* *Par exemple, le **cancer** est un problème du contrôle du cycle cellulaire.* ***36000 milliards** de cellules chez l'homme et 28000 **milliards** chez la femme* - *En moyenne tous le meme poids* *De base on vient d'une cellule : vivre ensemble* Utilité ======= **Cycle cellulaire **: successions de **mitoses** entrecoupées par des interphases comprenant la phase de **synthèse** et deux phases **Gap**. Le contrôle du cycle cellulaire désigne : 1. Le mécanisme qui assure le déroulement correct du cycle et la bonne alternance des phases M-G1-S-G2. Il s'assure qu'une **phase** soit **complétée** pour passer à la suivante. 2. Le contrôle du cycle cellulaire procure à la cellule **une horloge** qui **synchronise la division des cellules entre elles et l**a coordination des divisions malgré les différenciations cellulaires. D'une certaine manière, la cellule peut sentir le temps passer et y réagir 3. C'est un moyen de **moduler la prolifération en fonction de l'état général** de la cellule. Il permet par exemple de contrôler la division cellulaire en fonction de la taille, des nutriments, des problèmes de la cellule pour éviter que les cellules ne se divisent quand elles n'ont pas encore assez grandi cell a une instruction qui lui dit quand se diviser par rapport à sa taille, etc - Drosophila grand et petit -\> petite taille mutée 4. Le contrôle du cycle cellulaire est un moyen de moduler la prolifération en fonction de **signaux extracellulaires**. Une cellule peut répondre à des signaux d'autres cellules et ainsi moduler son cycle pour qu'il soit coordonné aux besoins de l'organisme. - Assez grand ou si division = mort ? [Il y a **deux points de contrôle** du cycle cellulaire où celui-ci peut être interrompu, ce sont les phases Gap de l'interphase : ] - Entrée en phase de synthèse : **transition G1/S** *Si la phase de synthèse est entamée, elle va jusqu'au bout.* - Entrée en phase de mitose, début prophase : **transition G2/M** *Si la phase de mitose est entamée, elle va jusqu'au bout.* Les phases Gap peuvent avoir des **durées variables** selon le moment de transition à la prochaine phase. Une cellule peut donc stagner dans un état interphasique. les points d arrêt sont a la fin des phases Gap (transition) L'horloge centrale ================== La mise en évidence du **MPF (« mitosis promoting factor »)** -------------------------------------------------------------  Quand l'œuf ([expérience] avec œuf de grenouille) commence à se diviser, on observe que les divisions se font de manière très **coordonnée** et **simultanées**. A ce moment-là, il n'y a pas encore de régulation comme des signaux externe, mais simplement le mécanisme central **(« horloge »).** Pour que la division soit synchronisée, il faut **un facteur qui active** la mitose en même temps dans toutes les cellules ou **un facteur qui l'inhibe**. **[Expérience ]**: on a pris du cytoplasme de cellules en interphase et de cellules en mitose qu'on a injecté séparément à deux œufs de **xénope**. - Injection du cytoplasme de la cellule en mitose : **division observée** - Injection du cytoplasme de la cellule en interphase : pas de division Interphase : G1, S, G2 [Conclusion] : il existe un **facteur pro-mitose** qui apparaît au moment de la mitose, c'est le **MPF** *(« mitosis promoting factor »)*. Ce facteur désigne une **activation de la mitose** et **non l'élément** (molécule) qui la provoque. On observe que : - La cellule **entre deux phases** de mitose **n'a pas** d'activité MPF - La cellule **en phase de mitose** a une activité élevée MPF En vert = activité MPF M pour mitose Cyclines et CDKs (protéines qui forment l'activité MPF) ------------------------------------------------------- Le facteur MPF met notamment en jeu **deux protéines (une protéine et une vitamine) **dans son activité: - **CDK**: **kinases** (fait une phosphorylation) dépendantes de la protéine cycline / inactive sans coenzyme (a besoin d'une cycline) - **Cyclines (coenzyme)** ### Activation de la CDK kinase (capable de phosphoryler) Sous forme libre, la protéine CDK est inactive. Pour qu'elle devienne **active**, elle doit : 1. **s'associer** avec une **cycline**. Cette activation ne suffit pas à activer le complexe formé 2. il faut encore qu'il soit **phosphorylé** par une **kinase** **activatrice**. ### Exemple lamine nucléaire Une fois activée, la CDK peut phosphoryler d'autres substrats comme [par exemple], les **lamines** **nucléaires** qui après phosphorylation se dépolymérisent, cela marque le début de la **prophase**. - **Se fait donc avec G2/M** ### Nomenclature (CDK G2/M) **L'activité MPF équivaut à l'activité des CDKs G2/M** (famille des CDK qui règle entrée en mitose). On sait qu'il n'y a pas d'activité des CDK G2/M en interphase. ### Concentration CDK et cycline (mais activation complète quand phosphorylé) La **concentration des CDKs G2/M est** **invariable, ce** n'est donc pas un élément de régulation du cycle cellulaire. La concentration des **cyclines G2/M** **varie** au cours du cycle cellulaire. Elle augmente progressivement pendant l'interphase jusqu'à la fin de la mitose, puis chute brutale en fin de mitose. **La concentration des cyclines est maximum** lorsque l'activité des CDK est maximum. Cependant, on ne peut pas dire que c'est la **dégradation et la resynthèse des cyclines** modulent complètement l'activité MPF (activité des CDKs G2/M) car même si la concentration de cycline augmente, et donc que le **complexe CDK-cycline est formé**, il n'y a **pas encore** **d'activité enzymatique**. Cela s'explique par le fait qu'il y ait un deuxième élément de régulation étant la **phosphorylation du complexe** **par une kinase activatrice** ### Entrée en phase S (même mécanisme que pour entrée au phase M) On observe à peu près le **même mécanisme pour l'entrée en phase S** (transition G1/S). Dans ce cas-là, les **CDKs G1/S** et les **cyclines G1/S** sont différentes des premières mais leur activation est régulée selon les mêmes principes. Comme pour la transition G2/M, l**a** **concentration des CDK G1/S est invariable** au cours du cycle cellulaire mais leur activité varie. **La concentration G1/S des cyclines varie selon la phase dans laquelle elle est impliquée, à l'instar de la G2/M.**  ### Ubiquitination de la cycline - Ubiquitine **sur cycline** pour sa dégradation **par le protéasome** - Dégradation de protéines de façon régulé (même si elle sont fonctionnelles) - Fin de la mitose alors plus de **CDK G2/M** fonctionnel lamine nucléaire se reconstruit (c'est l'interphase) Substrats des CDKs (ex : protéine Rb) ------------------------------------- ### Protéine Rb (régule facteur de transcription) Malgré l'importante variété de substrats des CDKs, nous nous concentrerons ici sur **la protéine Rb**. La protéine Rb bloque un **facteur de transcription E2F** ce qui ne permet de produire l'ARN polymérase par exemple Pour que la synthèse de l'ADN ait lieu il faut encore que la **CDK G1/S** **phosphoryle** la protéine **Rb**. Cela aura pour effet de libérer le **facteur** de **transcription** **E2F** (cf. cours immunité virale) jusqu'à présent **inactivé par Rb**. Le facteur à présent actif pourra **initier** la **transcription** d'un **gène** **cible**, par exemple, le gène codant pour l'ADN polymérase ce qui permettra la réplication de l'ADN. Par conséquent, les **CDKs** **agissent** **indirectement** sur la **régulation de l'expression génique** dans nos cellules. Il y a **induction de la transcription** de tous les gènes qui permettent **l'entrée en phase S**. L'activité des CDK G1/S entraîne l'entrée en phase S en contrôlant la conformation de Rb qui bloque la transcription de gènes essentiels pour la réplication. La protéine **Rb** est toujours présente à la **même** **concentration** dans la cellule. En revanche, la concentration de **Rb phosphorylée** **change** et reflète l'activité des CDKs G1/S la phosphorylation de la protéine Rb évolue en fonction de l'activité des CDK G1/S (quand Rb est phosphorylé alors il libère un facteur de transcription qui peut activer la synthèse de l'ADN) ***NB : seule la concentration de cyclines varie de façon significative.*** La phase G0 ----------- La phase G~0~ (G zéro) se définit comme une **phase G1 prolongée**. Une cellule finit sa mitose, **rentre en phase G1** qui s'éternise, c'est la **phase G0**. Elle ne fait **pas de synthèse de cycline G1/S** et la concentration des **CDKs G1/S diminue** jusqu'à leur disparition Il y a un **démantèlement du système** qui **empêche l'entrée en phase de synthèse**. Une fois en G~0~, pour revenir en phase S, la cellule devrait synthétiser des cyclines (mécanisme habituel) et des CDK G1/S. Cependant, cela est coûteux en énergie, ce qui rend le **redémarrage presque impossible**. Par conséquent, les cellules en G~0~ peuvent **difficilement recommencer à se diviser** et ont donc moins de chance de causer un cancer. - **Phase dormante -\> prolongée voir définitive** Phase G1 prolongé et presque impossible de recommencer dans certains cas ### Exemple des neurones [Par exemple], les neurones sont typiquement des cellules en phase G~0~, ce qui explique qu'ils ne se **divisent pas** (sauf pendant la vie embryonnaire), au contraire **leur nombre tend à diminuer**. Les neurones ne se divisent plus Modulation du cycle =================== *Dans l'organisme, le cycle cellulaire peut être modulé par **des signaux externes ou internes.*** Réponse aux signaux externes ----------------------------  ### Les types de signaux externes En plus de l'existence de l'horloge centrale, il y a des **signaux externes qui contrôlent le déclenchement de la division. Cela** permet principalement de **coordonner la division** des cellules. **Les divisions cellulaires peuvent se faire en réponse à des signaux extracellulaires selon deux mécanismes principaux :** - **Contact direct** intercellulaire : entre cellules voisines - **Signalisation endo-/paracrine** : sécrétion de facteurs par des cellules distantes - **Para rien -\> pas loin** - **Endocrine -\> très loin** La cellule reçoit les **facteurs de croissance** et **de ne pas se diviser** (division ou pas) La cellule reçoit en permanence des signaux qui ont pour but d'**activer ou d'inhiber** l'entrée en phase M ou S. ### Les récepteurs (permettent de recevoir des signaux externes)transduction du signal [Un des très nombreux] mécanismes qui permet de recevoir des signaux externes impliquent des **récepteurs transmembranaires à des facteurs de croissance**. Leur domaine cytosolique est constitué d'une **kinase** qui s'active seulement quand un certain ligand, qui est un facteur de croissance mitogène, se lie à son récepteur. La kinase peut ainsi phosphoryler des substrats, il y a **transduction du signal externe** dans la cellule. ---\>**activation du signal** (division des cell) ### Amplification du signal En l'occurrence, la kinase active provoque une **cascade d'activation** d'autres kinases ce qui **amplifie le signal** car chaque kinase activée permet d'activer plusieurs substrats**.** **Cette cascade permet également de moduler la transmission du signal à chaque étape étant donné qu'une kinase phosphorylée peut être déphosphorylée par une phosphatase.** ### Le substrat ultime (complexe CDK-cycline) Au bout de la chaîne d'activation, les **CDK-cyclines** sont phosphorylées et donc activées ce qui enclenche la **prolifération cellulaire**. En effet, l'activation des CDK-cycline permet la transition **G2/M ou G1/S.** Régulation interne : (Ex : p53 (signaux internes)) -------------------------------------------------- ### Rôle protéine p53 La régulation interne est le 2^ème^ type de régulation que possède la cellule. Les **signaux internes** permettent à une cellule de sentir son état interne pour savoir si elle peut **se diviser ou non**. Une **lésion de l'ADN** **active la protéine p53,** la stabilise et la transloque dans le noyau. Celle-ci **empêche l'entrée en phase S** car la cellule doit bloquer sa division cellulaire jusqu'à ce que la lésion soit réparée, afin de ne pas transmettre de mutation. **On ne veut pas dupliquer une cellule abimée** ### P53 (phosphorylé) active transcription p21(WAF1) qui déphosphoryle CDK G1/S (inhibition de la réplication de l'ADN) ### Une fois p53 activée (phosphorylé), agissant en tant que **facteur de transcription,** elle active la transcription d'une autre protéine : la **p21** (WAF1). L'activité de p21, en tant que **phosphatase**, est **d'inhiber la CDK G1/S** par déphosphorylation et donc provoque le **blocage de la transition G1/S**. ### p53 peut aussi activer la production de protéines qui réparent l'ADN ou qui activent l'apoptose De plus, p53 permet la production des protéines qui réparent l'ADN. Si la lésion est irréparable, p53 active **l'apoptose**. Ce principe est **uniquement valable en phase S**, mais il existe aussi un système de contrôle en phase M. **Activation de la p53 -\> grosse molécule** - Se fait à partir de lésion d'ADN (**kinases nucléaires**) - Stress cytosolique (**kinases cyto**) Oncogènes et suppresseurs de tumeurs ==================================== Cancer et évolution ------------------- **[La sélection Darwinienne : ]** **3 principes : variations, avantage sélectif et héréditaire** - Dans une population, certains caractères présentent des **variations** - Certaines variations confèrent un **avantage sélectif** car elles possède un effet bénéfique - Ces variations sont **héréditaire**s car elles sont conservées au cours de l'évolution La sélection naturelle se traduit par la **compétition** entre différents individus, certains possèdent une mutation avantageuse et auront une descendance plus importante que d'autres au fil des générations. Le même mécanisme s'opère dans notre corps, puisqu'on a une **communauté de cellules**, **chacune ayant une descendance**. Exemple : les girafes -\> cou long, variation, avantage sélectif -\> héréditaires -\> sur plusieurs géné Disparition des individus qui n'ont pas un cou long -\> trait longueur du cou se propage -\> car avantage sélectif. ### Une cellule mutée qui peut se diviser plus vite voudra partager son avantage évolutif Tant que les cellules sont identiques, il n'y a pas de cellules ayant d'avantage sélectif sur une autre. Si une cellule se **divise plus vite que les autres** (avantage sélectif), elle prendra plus de place, ce qui instaure une situation de compétition entre les cellules. Pour le bon fonctionnement de l'organisme, chaque cellule doit se **conformer à un rythme de division** qui est **spécifique** à son type et **non délétère** aux cellules voisines. Cependant, pour une cellule, il est avantageux de pouvoir se dupliquer plus vite et donc **d'augmenter sa prolifération**. ### Hyperprolifération tumeur bénigne (2 mutations) tumeur maligne (3 mutations) etc  Pour enclencher un **phénomène de microévolution**, il faut qu'une cellule acquiert une mutation qui favorise sa division. Grâce à cela, cette cellule prend plus de place à chaque division que ses voisines. Cela induit une **hyperprolifération.** A ce stade, ce n'est pas encore problématique. Cependant, parmi les **clones** de la première cellule mutée, qui commencent à prendre de plus en plus de place, une cellule peut générer une **2^ème^ mutation** lui permettant de prendre encore plus de place et de proliférer encore plus rapidement (cercle vicieux). Cette cellule ne répond pas de façon normale aux signaux internes ou externes. C'est le début du cancer, une **tumeur bénigne** se forme. Si une des cellules de cette population acquiert une **3^ème^ mutation** (encore plus avantagée), le même phénomène répète et s'amplifie (meilleur potentiel réplicatif). On parle ensuite de **tumeur maligne** car la **division est anarchique** et hors de contrôle au détriment de l'organisme **Population**= nos cell **driver**= les mutations **élément de sélection**= capacité des cell à se diviser **[Cancer] : Tumeur maligne** causée par une multiplication anarchique de cellules. La cellule ne répond plus aux signaux d'arrêt de division On assiste à deux phénomènes simultanés : - **Hyperplasie** : augmentation du nombre de cellules (**division abondante**) - **Dysplasie** : physiologie et organisation des cellules mutées se différencie de la population de départ (**la structure est altérée**) Le cancer est une micro-évolution au niveau de notre organisme qui débute avec l'apparition d'un clone qui a un avantage sélectif. Par conséquent, le cancer implique un problème de **dérégulation du cycle cellulaire**. ### 2 types de gènes Ces mutations qui dérèglent le cycle cellulaire affectent 2 types de gènes : - **Oncogènes** - **Gènes suppresseurs de tumeur** *NB : tous les éléments de la voie de signalisation (du récepteur jusqu'à l'activation des CDK) peuvent être des cibles de mutations qui affectent le contrôle du cycle cellulaire et donc des potentielles sources de cancer.* Oncogènes (un type de gène muté) -------------------------------- ### Mutation d'un gène (proto-oncogène ici) qui code pour un récepteur de croissance Un **récepteur à un facteur de croissance** doit avoir une phase inactive sans ligand et s'activer uniquement lorsqu'il lie son facteur de croissance. Cependant, ce système peut être déréglé : - **Récepteur hyperactif **: actif même sans ligand - **Récepteur surexprimé** augmentant sa concentration à la surface de la cellule : lie de plus nombreux ligands et possible activation spontanée Le récepteur muté (avantage sélectif) engendre une **suractivation des CDKs** et une **prolifération cellulaire incontrôlée**. - **Oncogène** ### Protooncogène oncogène(muté) **Protooncogène **: gène cellulaire **normal** qui peut devenir un oncogène par une mutation **Oncogène** : gène **muté** qui peut induire une prolifération cellulaire **incontrôlée** **Sous forme non-mutée**, le gène du récepteur est un **proto-oncogène**. Les types de mutations qui vont être sélectionnées sont celles qui confèrent à la cellule une capacité à se diviser plus vite étant donné que le récepteur est plus actif. ### Mutation activatrice (mutation qui transforme proto-oncogène en oncogène) -\> **dominante** On appelle la mutation qui transforme un proto-oncogène en oncogène une **mutation activatrice**. La **mutation activatrice** provoque une **hyperactivité ou une surexpression** de la protéine produite. Une mutation activatrice sur **un des deux allèles** d'un proto-oncogène est **suffisante** pour augmenter la prolifération cellulaire, c'est donc une mutation **dominante**. Il existe de nombreux oncogènes possibles qui peuvent se trouver à chaque étape du cycle de division cellulaire. ### Activation abondante de kinases (par un oncogène aussi) Une **kinase** ayant une mutation qui la rend **continuellement** **active**, induit une **hyperactivité de la voie de signalisation** et donc une hyperprolifération. **Le gène qui code pour la kinase est un donc proto-oncogène qui a ensuite été transformé en oncogène.** La mutation activatrice fait en sorte que la kinase soit en **permanence phosphorylée** ou alors qu'elle soit **constamment active sans phosphorylation**. - Dérégulation en aval - Pas que k1 peut aussi être k2 ou k3 par exemple **[Exemple] :** Une **altération** de la **tyrosine** **kinase** **ABL** provoque une **activité** **incontrôlée** et une division anarchique des cellules qui donne lieu à un **leucémie** **myéloïde** **chronique**. Celle-ci n'est pas dangereuse en soit (phase chronique), le réel danger étant qu'au cours de **l'hyperprolifération**, une cellule développe une **deuxième** **mutation** ce qui engendre une **évolution** **tumorale**. Le traitement consiste à **inhiber spécifiquement** l'activation de cette tyrosine kinase ABL avec du **Imatinib (Glivec)**. Autres exemples de potentiels proto-oncogènes : **E2F, CDK, cyclines** Suppresseurs de tumeur (des gènes) ---------------------------------- Contrairement aux proto-oncogènes qui modifie une protéine pro-mitose, un gène suppresseur de tumeur code pour une protéine dont l'effet est **d'inhiber le cycle cellulaire.** **Gène suppresseur de tumeur** : gène cellulaire **normal** qui empêche la formation d'une tumeur en agissant comme un frein à la division cellulaire. **Prenons pour exemple le gène qui code pour la phosphatase ayant pour fonction d'inactiver une kinase.** Si on perd l'activité d'une phosphatase, la kinase reste sous forme phosphorylée et est activée constamment. Par conséquent, la voie d'activation est en permanence active ce qui induit une prolifération cellulaire. La fonction normale de la **phosphatase** d'agir comme **un frein à la division cellulaire** est perdue et la division cellulaire augmente. ### Exemple : gène pour phosphatase (**mutation récessive**) Comme la phosphatase s'oppose à la formation de tumeur, son gène est suppresseur de tumeur. D'un point de vue génétique, si on **inactive seulement une des deux copies** dans le génome, il reste des phosphatases capables d'inactiver les kinases. Il faut donc **muter les deux copies** pour que la phosphatase ne marche plus, c'est seulement dans ce cas qu'il va y avoir une division cellulaire incontrôlée. Etant donné, qu'il faille que les deux allèles d'un gène suppresseur soient mutés pour introduire un phénotype, c'est donc une **mutation récessive**. - **P53 suppresseur de tumeur** - **P21 suppresseur de tumeur** - **E2F oncogène** ### Cibles thérapeutiques pour cancer Tous les **cancers** sont caractérisés par une division rapide qui peut être contrôlé par un poison mitotique. Cependant, un tel traitement entraîne inévitablement des effets secondaires car il **empêche tout renouvellement rapide** quel que soit le type de cellule (taxol). **Taxol : tue les cell qui sont en division rapide mais point négatif : tue toute les cell en division rapide pas que ceux de la tumeur donc c\'est pour ça qu on perd des cheveux car les cheveux sont en division rapide (bcp d\'effet secondaire)** **Taxol se lie à la tubuline libre ce qui empêche la mitose** En effet, chaque **tumeur** dérive d'altérations spécifiques (oncogènes ou suppresseurs) et nécessite un diagnostic moléculaire précis afin de définir une **thérapie ciblée sur le gène muté** et de réduire les possibles effets secondaires. Exemples de cibles thérapeutiques : **protéine Rb** (dont le nom est dérivé de [rétinoblastome]), **p53, p21 (WAF1)** - **Kinase ABL** Savoir quel cancer spécifique -\> diagnostic + thérapie ciblée -\> médecine personnalisée - Intestin et colon -\> division très rapide -\> effet secondaire -\> interrompre le traitement - Système immunitaire -\> traitement rend sensible -\> pas ouf Tous les cancers -\> division rapide / poisons mitotiques Chaque tumeur-\> altération spécifiques (oncogène/supresseurs) / diagnostic mol + thérapie cibl  Deux exemples de traitement contre le cancer** ** ------------------------------------------------- **1.Traitement contre le cancer du sein par Trastuzumab :** Le Trastuzumab est un anticorps spécifique qui **inhibe le** **récepteur à l'EGF** (HER2) qui est **surexprimé** en cas de cancer. Avant d'administrer du Trastuzumab, il faut vérifier impérativement si la concentration de HER2 est élevée, auquel cas il s'agira du traitement adéquat. **2.Traitement contre le cancer du côlon par Cetuximab :** Le Cetuximab **inhibe un récepteur à l'EGF (un facteur de croissance)** (EGF-R). En cas de cancer du côlon, ce récepteur est **surexprimé**, mais souvent la **kinase K-ras** est surexprimée en parallèle. Il faut alors tester le niveau de EGF-R, mais aussi vérifier s'il y a une mutation de K-ras. Si EGF-R est sur-exprimé et K-ras non mutée alors le traitement au Cetuximab sera efficace. A l'inverse, il est inutile de traiter au Cetuximab si K-ras sera de toute façon hyperactive.  **Cancer au dela du cycle cellulaire** **Si 1 cellule résistante -\> nouvelle 7 populations** - **Mutations s'accumulent** - **Diviser plus vite et envahir**