Chapitre 03 Contrôle de la prolifération, de la survie et de l’apoptose cellulaire (PDF)

Module : SMEG Master 1 GFA Session : 2024/2025 3ème Chapitre : Contrôle de la prolifération, de la survie et de l’apoptose cellulaire III. Partie 01 : Proliferation cellulaire III.1. Notions générales - La pro...

Module : SMEG Master 1 GFA Session : 2024/2025 3ème Chapitre : Contrôle de la prolifération, de la survie et de l’apoptose cellulaire III. Partie 01 : Proliferation cellulaire III.1. Notions générales - La prolifération cellulaire dans les eucaryotes supérieurs est contrôlée par l’environnement extracellulaire et l’état de différenciation. - De nombreuses cellules existent dans un état de croissance non divisant appelé quiescence. - Certaines cellules quiescentes ne peuvent pas proliférer et sont dites être en phase terminale différenciée. - D’autres peuvent être stimulés à se diviser en réponse aux signaux environnementaux ou lorsque le remplacement des cellules est nécessaire. - Cependant, certaines cellules subissent une prolifération et une différenciation continues. - Les facteurs de régulation de la croissance agissent généralement à des stades spécifiques du cycle cellulaire, le plus souvent au cours de la première phase d’écart du cycle cellulaire. - Une fois que les cellules ont commencé la synthèse de l’ADN, elles sont généralement engagées à compléter la réplication de l’ADN. - Après la synthèse de l’ADN, des signaux supplémentaires déterminent si les cellules dans la dernière phase d’écart passent par la mitose. - Ces dernières années, des gènes qui semblent être essentiels pour la progression à travers les deux premières phases de gap ont été identifiés. - Beaucoup sont des proto-oncogènes et peuvent donc transformer certaines cellules lorsqu’elles sont mutées ou mal exprimées. - Les facteurs de croissance qui stimulent la prolifération induisent l’expression de plusieurs proto-oncogènes; les facteurs inhibiteurs de croissance suppriment souvent l’expression des proto-oncogènes. - Au fur et à mesure que les cellules se différencient, la réponse aux facteurs extracellulaires change. Dans de nombreux cas, cela peut être dû à des contrôles intracellulaires. III.2. Différentes phases et événements du cycle cellulaire *Phase S et M - Le cycle cellulaire des cellules des eucaryotes supérieurs comprend quatre phases. - Durant deux de ces phases, la phase S et la phase M, les cellules exécutent les deux événements fondamentaux du cycle: la réplication de l’ADN (phase S, pour synthèse) et le partage rigoureusement égal des chromosomes entre les 2 cellules filles (phase M, pour mitose). * Phase G1 et G2 - Les deux autres phases du cycle, G1 et G2, représentent des intervalles entre les deux phases S et M (leur nom vient du mot anglais « gap » qui signifie intervalle). - Les deux autres phases du cycle, G1 et G2, représentent des intervalles entre les deux phases S et M (leur nom vient du mot anglais « gap » qui signifie intervalle). - Au cours de la phase G1, la cellule effectue sa croissance, intègre les signaux mitogènes ou anti-mitogènes et se prépare pour effectuer correctement la phase S. - Au cours de la phase G2, la cellule se prépare pour la phase M. Structure, Maintien et Expression des Génomes Mme. SAADI A. Module : SMEG Master 1 GFA Session : 2024/2025 3ème Chapitre : Contrôle de la prolifération, de la survie et de l’apoptose cellulaire * Phase G0 - Lorsqu’une cellule ne se divise pas, on dit qu’elle est quiescente = phase G0 pour définir cet état non prolifératif. - La phase G0 est généralement atteinte après une division mitotique, mais des exceptions existent (dans certains tissus de larves d’insectes ou chez les plantes, certaines cellules entrent en G0 après une phase G2). - Les cellules peuvent quitter l’état quiescent pour entrer dans le cycle après une stimulation mitogène. Figue 01. Les quatre phases du cycle cellulaire et la phase G0.  Durant un cycle, les quatre phases se succèdent dans un ordre immuable: G1, S, G2 et M.  Les trois premières phases (G1, S, G2) = l’interphase, durant laquelle le noyau de la cellule est limité par une enveloppe nucléaire.  La mitose (M) = disparition de cette enveloppe et apparition des chromosomes.  Après la mitose, les cellules filles peuvent soit entrer en G1 pour effectuer un nouveau cycle de division, soit entrer en G0, phase de quiescence.  L’ensemble de ces événements aboutit à la formation de deux cellules filles génétiquement identiques. III.3. Deux transitions importantes dans le cycle cellulaire - Il existe deux transitions importantes dans le cycle cellulaire, l’entrée en mitose et l’entrée en phase S, S qui sont sous la dépendance de facteurs de régulation : Figure 02. Le cycle cellulaire présente au moins deux transitions importantes Structure, Maintien et Expression des Génomes Mme. SAADI A. Module : SMEG Master 1 GFA Session : 2024/2025 3ème Chapitre : Contrôle de la prolifération, de la survie et de l’apoptose cellulaire - La caractérisation précise des molécules impliquées a permis de démontrer que dans ces deux cas (ainsi que dans les autres transitions de phases), on retrouve des complexes moléculaires semblables :  Une cycline, protéine sans activité enzymatique, et dont la présence, indispensable à l’activité du complexe, varie au cours du cycle.  Une kinase, active lorsqu’elle est associée à une cycline : c’est-à-dire une Cdk (Cyclin Dependent Kinase : kinase dépendante d’une cycline). - Comprendre comment le cycle cellulaire est régulé nécessite donc de comprendre ce que sont ces Cdk et de comprendre leur mode de fonctionnement. III.4. La régulation de la succession des quatre phases du cycle (complexes Cyclines – Cdk) - D’une part, pour assurer l’ordre immuable de la succession des quatre phases du cycle (régulation du cycle). - D’autre part, l’obtention de deux cellules filles rigoureusement identiques (surveillance de l'ADN), la cellule dispose de systèmes de régulation hautement perfectionnés, qui opèrent à différents niveaux. Figure 03. Les moteurs du cycle cellulaire : les complexes Cdk. Structure, Maintien et Expression des Génomes Mme. SAADI A. Module : SMEG Master 1 GFA Session : 2024/2025 3ème Chapitre : Contrôle de la prolifération, de la survie et de l’apoptose cellulaire *Dans le premier cas :  Il existe une machinerie moléculaire qui assure l’exécution de chaque phase mais aussi les transitions entre phases du cycle.  Ces moteurs moléculaires sont des protéines enzymatiques, les kinases Cycline- dépendantes (ou Cdk), dont la séquence d’activation puis d’inhibition rythme chaque cycle cellulaire.  La succession normale des différentes phases ne peut avoir lieu que si les différentes Cdk intervenant au cours des différentes phases sont présentes et actives aux moments opportuns. *Dans un deuxième cas :  Il existe un système de surveillance de la bonne exécution de chaque phase et des transitions entre phases.  Un ensemble de mécanismes moléculaires sonde les événements majeurs du cycle (comme un « contrôle qualité ») et peut inhiber les Cdk et donc arrêter le cycle, si l'étape précédente n'est pas terminée, ou si une "réparation" est nécessaire.  Ils permettent la surveillance d’aspects fondamentaux comme par exemple l’état des molécules d’ADN : 1. Avant, pendant et après leur réplication = (DDCP ou DNA Damage Checkpoint). 2. L’achèvement total de la réplication avant l’entrée en mitose = (RCP ou Replication Checkpoint). 3. le bon alignement de tous les chromosomes sur la plaque métaphasique avant la séparation des chromatides-sœurs = (MCP ou mitotic Checkpoint). * Quelques conclusions :  Les dérèglements du cycle cellulaire conduisent à des proliférations anarchiques.  L’intérêt majeur de l’étude de la régulation du cycle cellulaire et de ses points de surveillance réside dans le fait que ces processus sont souvent déréglés dans les cancers.  La connaissance de la régulation du cycle cellulaire est donc fondamentale pour la cancérologie et peut servir à mettre au point de nouvelles approches thérapeutiques. * Définition et mode d'action des Kinases cycline-dépendantes (Cdk) :  Entre 1987 et 1990, le régulateur universel de l’entrée en mitose (le MPF) est caractérisé : c’est une kinase cycline-dépendante (Cdk) associée à une cycline.  Entre 1990 et 2000, une douzaine de Cycline / Cdk sont décrites chez l’homme. Six d’entre elles interviennent dans le contrôle direct du déroulement du cycle cellulaire.  Les Cdk forment des complexes hétérodimériques avec les cyclines, leurs sous unités régulatrices.  Les cyclines n’ont pas d’activité enzymatique, ce sont des protéines régulatrices nécessaires aux Cdk pour qu’elles soient enzymatiquement actives. Figure 04. Le complexe Cycline / Cdk agit en phosphorylant une protéine. Structure, Maintien et Expression des Génomes Mme. SAADI A. Module : SMEG Master 1 GFA Session : 2024/2025 3ème Chapitre : Contrôle de la prolifération, de la survie et de l’apoptose cellulaire  Différents complexes Cycline / Cdk interviennent à des moments précis du cycle cellulaire.  Le cycle cellulaire est contrôlé par au moins 6 complexes Cycline / Cdk différents qui interviennent à des moments précis du cycle cellulaire. (Chaque Cdk agit sur des substrats définis). Figure 05. Complexes Cycline / Cdk et cycle cellulaire. (Au cours du cycle cellulaire, six complexes Cycline / Cdk interviennent). * L'activité des Cdk est régulée :  Les Cdk sont présentes avant qu’elles ne soient requises. Comment leur activité enzymatique apparaît-elle et disparaît-elle aux moments opportuns ? Réponse: 1. Grâce aux cyclines, qui n’ont pas d’activité enzymatique par elles-mêmes, mais se lient aux kinases du cycle pour les rendre actives. L’activité des Cdk est donc contrôlée par un cycle de synthèse/dégradation de leur cycline associée, tout au long du cycle cellulaire. 2. Grâce à des protéines déphosphorylant (Cdc 25) ou phosphorylant (CAK, Wee-1) les Cdk et qui permettent de compléter le contrôle de l’activité des Cdk. Donc une phosphorylation peut être activatrice ou inhibitrice. 3. Grâce à des protéines inhibitrices, les CKI (Cdk Inhibitor), qui ne régulent que négativement. * L'existence de mécanismes de surveillance : - En plus des Cdk, molécules permettant le passage d’une phase à l’autre et l’enchaînement des événements du cycle, existent des mécanismes capables de surveiller des processus très importants du cycle, de détecter des anomalies et d’imposer l’arrêt du cycle si des anomalies sont constatées. Structure, Maintien et Expression des Génomes Mme. SAADI A. Module : SMEG Master 1 GFA Session : 2024/2025 3ème Chapitre : Contrôle de la prolifération, de la survie et de l’apoptose cellulaire - Ces mécanismes interviennent lorsque des lésions (DDCP = DNA Damage Checkpoint) ou des anomalies de réplication de l’ADN (RCP = Réplication Checkpoint) sont détectées, ou pour contrôler que les chromatides-sœurs vont bien se répartir équitablement dans les deux cellules filles (MCP = Mitotic Checkpoint). Ils assurent en quelque sorte le « contrôle qualité » du cycle cellulaire. Remarque: - En effet, si seules les Cdk intervenaient, l'enchaînement des phases du cycle pourrait continuer à avoir lieu, même si l’ADN était endommagé, ce qui conduirait finalement à des anomalies génétiques ou chromosomiques graves pour les cellules, par exemple perte d'un chromosome ou d'un morceau d'ADN. Figures 06. Mécanismes de surveillance du cycle et points de transition essentiels DDCP et transition G1/S III. Partie 02 : L’apoptose (signaux, mécanismes, rôle) III.2.1. Définition de l’Apostose - Durant la vie d’un organisme pluricellulaire, de nouvelles cellules apparaissent par mitose , l’organisme doit contrebalancer ces nouvelles cellules en détruisant les plus anciennes. - Ainsi, chaque jour entre 50 et 70 milliards de cellules meurent par apoptose dans un être humain. - La plupart des cellules sont programmées génétiquement pour mourir par apoptose. Cette mort cellulaire est régulée et déclenchée en réponse à un signal externe ou interne. - L’apoptose est un processus vital pour l’organisme tout au long de sa vie. En effet, elle intervient dès le développement embryonnaire et perdure jusqu’à l’âge adulte. - Une dysrégulation de l’apoptose est responsable de nombreuses pathologies comme les cancers ou les maladies neurodégénératives. III.2.2. Rôle de l’Apostose  L’apoptose un processus physiologique vital qui débute dès le développement embryonnaire et qui perdure tout au long de la vie de l’individu.  L’apoptose intervient au cours du développement embryonnaire :  Apoptose et développement du système nerveux. Structure, Maintien et Expression des Génomes Mme. SAADI A. Module : SMEG Master 1 GFA Session : 2024/2025 3ème Chapitre : Contrôle de la prolifération, de la survie et de l’apoptose cellulaire  Apoptose et système immunitaire.  Apoptose et morphogénèse.  L’apoptose intervient au cours de la vie l’adulte  Apoptose et maintien de l’homéostasie des tissus  Apoptose et élimination de cellules endommagées ou infectées par un agent pathogène : (L’apoptose est impliquée dans l’élimination de cellules endommagées ou dangereuses pour l’organisme. Cette apoptose est une réponse à différentes formes de stress tel que des dommages de l’ADN, une blessure physique, une ischémie, un stress oxydatif, un stress du réticulum endoplasmique ou une infection virale). Figure 07. Une mauvaise régulation des mécanismes impliqués dans le maintien de l’homéostasie tissulaire peut aboutir au développement de pathologies. III.2.3. Dysfonctionnement de l’apoptose : cancers, maladies neurodégénératives - De nombreuses pathologies sont associées à un dysfonctionnement de l'apoptose. - Anisi, le développpment d'une pathologie dépendra qu'il y ait un défaut ou un excès d'apoptose. Structure, Maintien et Expression des Génomes Mme. SAADI A.  Module : SMEG Master 1 GFA Session : 2024/2025 3ème Chapitre : Contrôle de la prolifération, de la survie et de l’apoptose cellulaire Figure 08. Les pathologies associées à un dysfonctionnement de l'apoptose. III.2.4. Caractéristiques de l’apostose - Les cellules en apoptose présentent des caractéristiques morphologiques et biochimiques spécifiques qui peuvent facilement être utilisées pour détecter des cellules en apoptose versus des cellules vivantes. Tableau I. Caractéristiques morphologiques et biochimiques de l’apostose. Caractéristiques morphologiques Caracteristiques biochimiques - Arrondissement de la cellule. - Activation des caspases. - Rétraction des pseudopodes. - Fragmentation de l’ADN. - Réduction du volume cellulaire. - Perméabilisation de la membrane externe - Condensation de la chromatine (pycnose). mitochondriale. - Fragmentation du noyau (caryorrhexis). - Bourgeonnement des membranes - Formation de corps apoptotiques. III.2.5. Les acteurs moléculaires de l'apoptose - La famille des protéines Bcl-2 et les caspases sont des acteurs moléculaires clés dans l'apoptose :  Les protéines Bcl-2 vont réguler la perméabilisation de la membrane externe mitochondriale. Cette perméabilisation est une étape déterminante car elle permettra Structure, Maintien et Expression des Génomes Mme. SAADI A. Module : SMEG Master 1 GFA Session : 2024/2025 3ème Chapitre : Contrôle de la prolifération, de la survie et de l’apoptose cellulaire la libération de facteurs apotogènes tels que le « cytochrome C » qui est un acteur clé dans l'activation des procaspases 9 lors de la formation de l'apoptotosome puis l'activation de la caspase -3 effectrice.  Les caspases effectrices une fois activées vont permettrent l'execution de l'apoptose en clivant les protéines qui jouent un rôle clé dans les fonctions cellulaires normales Figure 09. Les acteurs moléculaires de l'apoptose. *La famille des protéines Bcl-2 - Les protéines de la famille Bcl-2 sont les principales actrices de la régulation de la voie apoptotique mitochondriale en modulant la libération, dans le cytosol, du cytochrome C mitochondrial. - Ces protéines interviennent soit en bloquant (protéines anti-apoptotiques comme Bcl2, Bcl-XL, …) soit en favorisant (protéines pro-apototiques comme Bax, Bad, Bim, …) la libération du « cytochrome C » qui est considérée comme un point de non-retour dans l’apoptose. *Les caspases - Deux types de caspases sont répertoriées en :  Caspases initiatrices (caspase 2, 8, 9, 10) qui sont les premières à être activées lors de l’apoptose. Elles possèdent un long prodomaine constitué par des motifs d’interaction protéine-protéine, tels que les domaines DED (Death Effector Domain) pour les caspase 8 et 10 ou les domaines CARD (Caspase Activation Recruitement Domain) pour les caspases 9 et 2. Ces domaines DED et CARD jouent un rôle primordial dans l’activation des caspases initiatrices. Structure, Maintien et Expression des Génomes Mme. SAADI A. Module : SMEG Master 1 GFA Session : 2024/2025 3ème Chapitre : Contrôle de la prolifération, de la survie et de l’apoptose cellulaire  Caspases effectrices (caspases 3,6,7), quant à elles possèdent un prodomaine plus court et ne possèdent pas de domaine DED ou CARD leur permettant d’être recrutées et de s’oligomériser en dimère comme les caspases initiatrices, elles vont être activées par clivage par une caspase initiatrice active. L’activation des caspases se fait en cascade. Cette activation permet une amplification du signal initial ( Cascade d'activation des caspases). Figure 10. Structure des caspases (Initiatrices et effectrices) : Les caspases sont constituées d'un prodomaine, d'une grande sous-unité et d'une petite sous-unité. SU : sous- unité ; Asp : acide aspartique III.2.6. Les voies de signalisation de l'apoptose - L’activation des caspases est déterminante dans l’amplification initiale de l’apoptose. Deux grandes voies moléculaires conduisent à l’activation des caspases : 1. La voie déclenchée au niveau de la membrane plasmique par l’activation de récepteurs membranaires : cette voie est appelée la voie des récepteurs de mort voie extrinsèque de l'apoptose. 2. La voie déclenchée par les facteurs apoptogènes libérés lors de la perméabilisation de la membrane mitochondriale externe : cette voie est appelée voie mitochondriale ou voie intrinsèque de l'apoptoe. Structure, Maintien et Expression des Génomes Mme. SAADI A. Module : SMEG Master 1 GFA Session : 2024/2025 3ème Chapitre : Contrôle de la prolifération, de la survie et de l’apoptose cellulaire Figure 11. Les voies de signalisation de l'apoptose (extrinsèque et intrinsèque). Structure, Maintien et Expression des Génomes Mme. SAADI A.