Cycle cellulaire et réplication - Chapitre 5 PDF

Cycle cellulaire et réplication : I- Mitose Les enjeux de la mitose sont de distribuer une copie de chaque chromosome répliqué dans les cellules filles, pour obtenir 2 cellules identiques à la cellule mère = rôle du fuseau mitotique. Ce forme des kinétochores au niveau des centromères. En tout d...

Cycle cellulaire et réplication : I- Mitose Les enjeux de la mitose sont de distribuer une copie de chaque chromosome répliqué dans les cellules filles, pour obtenir 2 cellules identiques à la cellule mère = rôle du fuseau mitotique. Ce forme des kinétochores au niveau des centromères. En tout début de mitose en fin de G2, les chromatides sœurs ne sont pas bien dissociées l\'une de l\'autre. Elles sont entrelacées l\'une dans l\'autre on dit qu\'elles sont concaténé. Elles seront démêlées par la topoisomérase II. Pour cela elle coupe l\'une des chromatides, les démêles puis les rassemble. En fin de G2, la cellule fabrique autour des deux chromatides sœurs des anneau de cohésine qui permettent de les maintenir ensemble. Au moment de la prophase elle migre au niveau du centromère. Cohésine est mise en place : - Le long des bras des chromosomes pendant la réplication : phase S - Au niveau des centromère pendant la phase G2/Prophase Les chromosomes se condensent au moment de la migration de la cohésine vers le Centromère et sont maintenus condensés par une enzyme nommée condensin. La cyclineB-cdk1=MPF - Phosphorylation condensines et histone H1provoque une condensation de la chromatine, c\'est la prophase - Déstabilisation des microtubules provoque la formation du fuseau mitotique - Phosphorylation des lamines provoque une rupture de l\'enveloppe nucléaire - Phosphorylation GM130 provoque la fragmentation de l\'appareil de Golgi et du RE. Lorsque l\'on réalise la transition de la métaphase vers l\'anaphase, il faut réaliser la dégradation de la cohésine qui est contrôlé par une protéase que l\'on appel APC/C. Pour accomplir la mitose, la cellule doit dégrader la cohésine =\> permet la migration des chromatides sœurs dans les cellules filles (anaphase). Rôle de la séparase. Télophase : membrane nucléaire se referme autour des cellules filles puis séparation des deux cellules filles. Le rôle des points de contrôles : Au niveau du premier point de contrôle la cellule continue à avancer si il lui reste des facteurs de croissance, elle s\'assure que l\'ADN est de bonne qualité et qu\'elle va pouvoir la répliquer. Si elle n\'est pas de bonne qualité le cycle cellulaire s\'arrête tant que l\'ADN n\'est pas réparé. P53 : bloque l\'avancée du cycle cellulaire.\* Le deuxième point de contrôle est en fin de G2. S'il y a des problèmes au niveau de l'ADN ou si la réplication est non terminée (inachevée) → il y a inactivation du complexe cycline Cdk1. Réplication terminée ? Si la réponse est non, on arrête la cycline B, implique toujours p53. Dans ce cas, il s'agit pour la cellule de faire en sorte que la mitose ne soit pas déclenchée tant que la réplication n'est pas totalement achevée ou tant que les lésions détectées dans l'ADN qui s'est répliqué ne sont pas réparées. Pour cela, les molécules qui interviennent vont bloquer le processus d\'activation de la CDK1. Le troisième point de contrôle se fait entre la métaphase et l'anaphase. Si le chromosome n'est pas bien aligné sur le fuseau → il y a inactivation de la séparase, donc la cellule ne pourra pas faire l'anaphase. Chromosome bien aligné au niveau du fuseau pour activé la séparase (dégradé la cohésine) ? On bloque APC/C ( anaphase promoting complex) → si la réponse est non. L\'attachement correct des chromosomes au fuseau mitotique P53 est un facteur de transcription qui régule l\'activité de nombreux gènes. Elle joue un rôle central dans le contrôle du cycle cellulaire. P53 normale : - L\'ADN est endommagé par la chaleur, les radiations ou les substances chimiques - La division cellulaire est arrêtée et p53 déclenche la réparation, par les enzymes, de la région endommagée. - p53 déclenche la destruction des cellules encore endommagées - p53 Permet la division des cellules dont l\'ADN est réparé. P53 anormale : - L\'ADN est endommagé par la chaleur, les radiations ou les substances chimiques - La protéine P53 ne peut arrêter la division cellulaire et réparer l\'ADN. Les cellules se divisent sans réparation de l\'ADN endommagé. - Les cellules endommagées poursuivent leurs divisions. Si d\'autres dommages s\'ajoutent la cellule peut devenir cancéreuse II- Les FACS Facs : méthode d\'analyse du cycle cellulaire. Il permet de savoir dans quel phase du cycle cellulaire. Quantité d'ADN/cellule =\> Mesurable par FACS (Fluorescence Activating Cell Sorting) - Cellules en culture - Coloration avec un agent intercalant de l'ADN (iodure propidium = fluo) - Lavage des cellules FACS = comptage des cellules en fonction de la quantité de fluo interne Une fois que l\'on a traité les cellules ont les fait passer une par une dans un noyau très fin associé à un laser et un détecteur. Le laser excite le propidium qui devient fluo. Les cellules sont analysées une par une pour la quantité de fluo qu'elles contiennent. Comme la phase G1 est la phase qui dure le plus longtemps statistiquement on trouvera plus de cellules en G1. Un cycle dure entre 24 et 48 h en fonction du type cellulaire. ± 50% en G0/G1 ± 25% en S ± 25% en G2/M Culture synchrone : cellule toute arrêtées dans une seule et même phase. En fonction de la drogue que l\'on utilise on va bloquer les cellules dans des phases différentes : - Privation de sérum : arrêt en GO/G1 - Analogues de bases/thymidine : arrêt en S - Nocodazole : Arrêt en G2 - Colchicine arrêt en M III- Réparation de l\'ADN Qualité de l\'ADN joue sur : - Régulation de la transcription - Cycle cellulaire - Apoptose Réparation de l\'ADN : Processus par lesquels une cellule identifie et corrige les lésions de son ADN. 2 types de lésions : - Erreurs de réplication - Altération directe de l\'ADN Chaque jour dans une cellule humaine =\> milliers de lésions... Seules quelques unes s'accumulent et donnent des mutations. La grande majorité sont réparées. 1\. Erreurs de réplication Erreur de l\'ADN polymérase : Introduction d\'une base non complémentaire à celle du brin parent. Ces erreurs se produisent pendant la phase S du cycle cellulaire ; Elles arrêtent le cycle cellulaire jusqu'à leur réparation (points de contrôle). Erreur de lecture : Pas d\'appariement possible donc pas d\'élongation ce qui provoque un blocage de la fourche de réplication. Correction : Élimination de la base non appariée, cette élimination est une propriété naturelle des ADN pol  et .. On dit qu\'elles ont des propriétés correctrice. La correction se fait « en direct ». Si la correction en « direct » ne se fait pas correctement : Le mésappariement est observé par une déformation de l\'ADN. La réparation nécessite deux enzymes MutS → reconnaît l\'erreur et MutL → corrige. Processus de correction : - Erreur dans le nouveau brin - Fixation des protéines correctives MutS et MutL - MutS reconnaît le mésappariement - MutL détecte les brèches simple brin de l\'ADN C\'est ce que l\'on appel une correction « a posteriori » MutS et MutL : Protéines très conservées (procaryotes/eucaryotes) La réplication est un processus biologique très fidèle est lorsque l\'on combine les erreurs de réplication et les erreurs de correction on a une erreur pour 1 milliard de paire de bases. Les erreurs sont importantes pour la survie de la cellule uniquement si elle tombe sur la partie codante du génome. 2. Altération direct de l\'ADN Agents génotoxiques créent des lésions dans l\'ADN. Agents génotoxiques sont dues à : - Métabolisme cellulaire / vieillissement - UV - Tabac - Produits chimiques - Rayonnements - Certains virus Ces erreurs se produisent à n'importe quelle phase du cycle cellulaire ; Elles empêchent la cellule d'effectuer un cycle de division jusqu'à leur réparation (points de contrôle). Les erreurs les plus fréquentes : - Désamination - Dépirination - Dimères thymine 2. 1. désamination Désamination : Disparition d\'un groupement amine - Spontané des cytosines - Induit sur les autres bases La désamination de l\'adénine conduit à la formation de l\'hypoxanthine. La désamination de la guanine conduit à a formation de la Xanthine La désamination de la cytosine conduit à la formation de l\'uracile Ces désamination provoque une déformation de l\'ADN. Lorsqu\'une cytosines est méthylées et qu\'elle perd son groupement amine elle forme une thymine, ce n\'est pas une base anormale pour l\'ADN. Dans ces cas là les processus de réparation ne sont pas les même et sont moins fréquents. Elles ont du mal à différencier si l\'erreur provient de la thymine où de la base présente en face d\'elle. On a donc une plus forte apparition de mutations sur ces sites de cytosines méthylées. Dinucléotides CG : méthylés en C pour la régulation transcriptionnelle puis désamination Mésappariement T/G. En absence de réparation, à la réplication suivante : 50% des cellules filles sont mutantes. 2. 2. Dépurination → spontanée ou réduite Formation d\'un sucre dépuriné à la place d\'une guanine.. 2. 3. Dimères de thymine Formation de lésion covalente anormale formées suite à l\'exposition aux rayons UV. Si elles ne sont pas réparées on aura à la réplication suivante l\'apparition de mutations stables. Encore une fois ces mutations sont importantes que si elles se produisent sur un exons donc si elles concernent 3 à 5% du génome. Les dimères de thymines sont aussi lues comme une seule thymine donc ça revient à la délétion d\'une base. Mécanisme de réparation - Désamination ou dépurination → excision de base - Dimère de base → excision de nucléotides Désamination ou dépurination → excision de base : - Élimination de la « mauvaise » base - Élimination sucre phosphate - Correction : ADNpol+ADN ligase Dimère de base → excision de nucléotides : - Nucléase fait des cassures simple brin dans l\'ADN - Hélicase : élimine le simple brin qui comporte l\'erreur - ADNpol + Ligase 2. 4. Lésions les plus graves Cassure dans l\'ADN : sont provoquées par : - UV - Rayon X - Rayon  - Produits chimiques Mécanisme de réparation : - Jonction non-homologue des extrémités = NHEJ - Recombinaison homologue = RH Si la cellule se situe en G0/G1 : réparées par NHEJ Pour réparer une cassure décalé : - La cellule rend les cassures franches - Recolle les deux extrémités cassés ensemble Implique 3 protéines : - Dimère Ku70/Ku80 s\'installent de parte et d\'autre de la cassure - Protéine DNA-PK installé sur le dimère - Recrutement de protéines additionnelles : Ligase IV -- XRCC4 - XLF qui permettent la cassure franche et le recollement. La réparation est fidèle ou non selon la façon dont les extrémités sont traitées : - Si réparation fidèle : pas de mutation - Si réparation infidèle : apparition de mutations Si la cellule à subit la phase S : Réparés par recombinaison à condition qu\'il y ait des chromatides sœurs. Pour réparer une cassure décalé : - La cellule rend les cassures franches - Utilise la séquence sur la chromatide sœur homologue pour reconstituer la cassure de la chromatide lésée. Cette recombinaison requiert des identités de séquence entre le brin d\'ADN « lésé » et le brin qui sert de modèle pour la réparation. La réparation est toujours fidèle. Deux cas de figures : - La cassure se produit après le passage de la fourche de réplication - La cassure se produit devant la fourche de réplication Si la cassure se produit dans l\'ADN en fin de réplication ; - 2 chromatides sœurs = copies identiques du même ADN double brin - Dégradation de 5\' - Invasion du brin - Synthèse d\'ADN et migration du point de branchement - Synthèse d\'ADN - Ligation grâce à la ligase Si la cassure dans l\'ADN apparaît pendant la réplication : - Il faut que la cassure soit sur un seul brin sinon utilisation du NHEJ - Réplication avance jusqu\'à la cassure - Arrêt de la fourche de réplication - Dégradation de l\'extrémité 5\' du brin cassé - Invasion du brin - Synthèse d\'ADN → réparation - La fourche redémarre - Levée du blocage de la réplication Sources de dommages : - Intrinsèque : modification de bases spontannées, erreurs de réplication - Agents chimiques - Endogène (radicaux libres) - Exogènes (mutagènes chimiques) - Radiations - Radiations ultraviolettes - Radiations ionisantes Lésion de l\'ADN - Mésappariement et modification de bases insertion, délétions, cassures de brin - Modifications de bases, sites abasiques, cassures de brin - Pourcentages cassures de brin - Dimères de pyrimidine, modification de bases - Sites abasiques modification de brin 3. Pourquoi réparer ? Mutations, inversions, délétions : - *Mutation germinales* : modifications stable du génome, bénéfiques ou néfastes ou même neutre. → évolution - *Sénescence *: Cellules somatiques → vieillissement de la cellule sénescence réplicative (érosion des télomères) ou métaboliques (espèces réactive qui provoquent des lésions dans l\'ADN). Certaines provoquent une vieillissance accélérée des cellules  : *Syndrome de Hutchinson-Gilford et Syndrome de Werne* - *Apoptose* : Mort cellulaire programmée, élimination des cellules indésirables (ayant accumulé trop de dommages dans l\'ADN) - *Cancers* : Cellule immortelle, accumulation de lésions dans l\'ADN ( → chimiques, rayon X, rayon  , UV, et/ou mutation des gènes de réparation). Hutchinson-Gilford (Progéria) : Mutation dominante (C=\>T) du gène LMNA Défauts de la lamine : - Modifications de la membrane nucléaire - Surexposition gène p53 - Arrêt de mitoses - Vieillissement cellulaire accéléré - Espérance de vie \< 20 ans Werner : Mutation du gène WNR Mutation d\'une hélicase : - Instabilité chromosomique - Mitoses ralenties - Vieillissement cellulaire accéléré - Nanisme et risque accrus de cancers - Espérance de vie \< 50 ans Apoptose : La cellule implose en formant des corps apoptotiques qui sont éliminés par les macrophages. Pas de phénomène inflammatoire associé. Mécanisme qui ne se propagent pas et permettent d\'éliminer des erreurs trop importante. Il est notamment utilisé au cours du développement embryonnaire pour bien décoller les doigts. On essaie d\'utiliser ce processus pour dégrader les tumeurs lors des radiothérapies. Cancer : - Mutation non-éliminé par les processus de réparation. Le type de mutation peut augmenter la prolifération et/ou diminuer l\'apoptose - Les mutations s\'accumulent - Les cellules échappent au contrôle. Perte de l\'inhibition de contact et immortalisation. C\'est une rupture de l\'homéostasie entre les cellule. Tumeur, dû à une augmentation du nombre de division où à une diminution de l\'apoptose. Toutes les mutations, qu\'elles soient génétique sou épigénétiques, peuvent contribuer à l\'oncogenèse. 4. Cas particulier de Recombinaison Homologue Méiose et crossing over : C\'est au moment de la prophase 1 que se mettent en place les crossing over. Les crossing over se produisent au sein des chromosomes bivalents. Par échange de brins de chromatides. Une chromatide a se termine par un morceau de chromatide b. Et une chromatide b se termine par un bout de chromatide a. Spo11 : génère une cassure double brin MRE11 :dégradation de 5\' pour reformer les brin d\'ADN La chromatide sœur orange réalise un envahissement de brin sur la chromatide rouge, on finit la synthèse d'ADN et on « religature » l'ADN. A ce moment là, il existe deux façons de résoudre cette réparation : - Soit on va couper l'ADN de part et autres des flèches bleus horizontalement et on va obtenir des génomes avec des régions hybrides. Pas de crossing-over de réaliser. - Soit on va couper l'ADN de part et autres des flèches bleus horizontalement et verticalement et on va obtenir des génomes recombinants réciproques avec réalisation de crossing-over. Cette structure particulière qui n'existe qu'à la méiose → on appelle cela la jonction de Holliday. C'est la résolution de cette jonction de Holliday qui va donner soit des génomes hybrides soit des génomes recombinants. Région hybride : un seul des deux brins d\'ADN a été changé entre les chromatides sœurs. Crossing-over : les deux extrémités des deux brins d\'ADN des chromatides sœurs ont été permutés. Recombinaison homologue sans crossing-over : entre chromatides sœurs sur un même chromosome : Réparation des cassures double brin → Mitose Recombinaison homologue avec crossing-over : Brassage génétique : entre chromatides sœurs (bivalent) =\> Brassage génétique → Méiose Plusieurs types de mutations : - Mutations liées à notre environnement, notre mode de vie - Mutations induites pour les besoins de la recherche (cellules en culture) Mutation ponctuelles = substitution 1. Transversions : pyr = pur ( A ou G vers T ou C et réciproquement) 2. Transitions : pyr → pyr (T vers C ou C vers T ) pur → pur ( A vers G ou G vers A)