Chapitre 3 Noyau interphasique et Cycle cellulaire 2023 PDF

Chapitre 3 Noyau interphasique et Cycle cellulaire Le noyau est l'organite qui a donné son nom aux eucaryotes (eu = vrai, caryos = noyau) Pr Bouchra CHEBLI Cours Pr Bouchra CHEBLI 2023 1 1- Présentation Le noyau ou “centre vital” de la cellule Compartiment volumi...

Chapitre 3 Noyau interphasique et Cycle cellulaire Le noyau est l'organite qui a donné son nom aux eucaryotes (eu = vrai, caryos = noyau) Pr Bouchra CHEBLI Cours Pr Bouchra CHEBLI 2023 1 1- Présentation Le noyau ou “centre vital” de la cellule Compartiment volumineux (3 à 10% du diamètre doit 20 à 25% du volume cellulaire total selon les cellules) Présent dans toutes les cellules eucaryotes sauf les hématies Présent en un seul ou plusieurs exemplaires par cellule (cas des cellules musculaires striées squelettiques qui sont plurinucléées) Délimité par une membrane nucléaire séparant le nucléoplasme et le cytoplasme Cours Pr Bouchra CHEBLI 2 2- STRUCTURE DU NOYAU Constitué de 3 parties :  Le Nucléole (production ribosomes) 10 boucles d’ADNr (chr 13, 14, 15, 21 et 22) qui fusionnent entre elles  Le Nucléoplasme=suc nucléaire Protéines et Chromatines  La Membrane Nucléaire (protection, double avec un espace intermembranaire percée de pores). Cours Pr Bouchra CHEBLI 3 a. Enveloppe nucléaire - Délimite le nucléoplasme qui renferme la chromatine, la matrice nucléaire ou nucléosquelette - Composée d’une double membrane (externe et interne) dont les deux faces sont en contact avec des filaments intermédiaires: - La membrane externe est associée à des ribosomes et est en continuité avec les membranes du RE. Elle est en contact également avec la corbeille périnucléaire - L’espace prérinucléaire: situé entre les deux membranes, représente le lieu de stockage des ions calcium. - La membrane interne est associée à une formation intranucléaire superficielle d’aspect fibreux : la lamina nucléaire (composée de lamines qui sont des FI) - L’enveloppe nucléaire est interrompue au niveau de plusieurs pores nucléaires qui sont des sites privilégiés pour les échanges nucléo-cytoplasmiques Cours Pr Bouchra CHEBLI 4  Les pores nucléaires Ces pores (2000 à 4000 par noyau,) ont pour rôle de s'assurer de l'état mature des ARN sortants et de ne permettre l'accès au nucléoplasme qu'aux protéines exposant leur séquence de destination nucléaire (« nuclear localisation signal », NLS). Cette sélection de protéines entrantes est d'une importance vitale pour la régulation de la transcription et de la réplication de l’ADN. C’est « une porte moléculaire qui ne peut être ouverte que par les molécules possédant la bonne clef » Cours Pr Bouchra CHEBLI 5  Enveloppe nucléaire POM121, une protéine du pore qui ancre le complexe sur la membrane nucléaire Med Sci (Paris), 18 1 (2002) 41-43 Cours Pr Bouchra CHEBLI 6  Pores nucléaires Un pore nucléaire est une structure protéique en « panier de basket » et de symétrie d’ordre 8. Avec 2 anneaux périphériques, 1 anneau central, 16 filaments (huit du coté cytoplasme et huit du coté nucléoplasme) où ils sont reliés à l’anneau distal Cours Pr Bouchra CHEBLI 7  Représentation schématique des complexes des pores (a) Vue de dessus, côté hyaloplasmique : on distingue la structure à base octogonale. (b) Vue en coupe, montrant l’enveloppe nucléaire et la lamina (l). Les pores nucléaires sont constitués d’un anneau hyaloplasmique formé de 8 granules (gr) de 20 nm de diamètre, associé à 2 autres anneaux plus fins (am, ai), situés autour du canal du pore. Des structures fibreuses (f) partent de ces anneaux et sont dirigées vers le hyaloplasme ou le nucléoplasme ; dans ce dernier, les fibres se réunissent pour constituer une sorte de panier ouvert, ou de cage (l’anneau distal). Le centre du canal est occupé par une particule de grande taille (pc) représentant l’axe de l’édifice. me et mi : membranes externe et interne ; eim : espace intermembranaire ; am et ai : anneaux médian et interne ; pc : particule centrale ; rl : récepteur de la lamine. Cours Pr Bouchra CHEBLI 8  Les pores nucléaires Les filaments sont des sites de fixation des protéines et des ARN appelés à franchir la barrière de l'enveloppe. La plupart des protéines formant le pore appartiennent à la famille des nucléoporines (Nup) dont il existe 30 sortes. Le passage des protéines et des ARN au travers du pore exige l'intervention de protéines porteuses ou protéines cargo (transport facilité). Les nucléotides, nécessaires aux synthèses d'ADN et d'ARN, et les ions, entrent passivement. La lamina nucléaire est interrompue au niveau des pores. Cours Pr Bouchra CHEBLI 9  b- Le nucléoplasme C’est un milieu fluide, gélatineux qui existe au sein du noyau et qui abrite les éléments suivants : L’information génétique compactée sous forme de chromatine (chaque chromosome y occupe une place définie) La matrice nucléaire ou nucléosquelette qui comprend la lamina nucléaire: couche protéique de 0.2 µm d’épaisseur située au contact de la membrane nucléaire interne. Les lamines font partie de la famille des filaments intermédiaires Un ou plusieurs nucléoles Cours Pr Bouchra CHEBLI 10 Chromatine Présente dans le noyau sou forme plus ou moins compactée Est constituée d’ADN (génome) et de protéines Le génome est fragmenté en plusieurs molécules appelés chromosomes Les cellules somatiques sont diploïdes: 46 chromosomes (2n) chez l’Homme Les gamètes (ovocytes et spermatozoïdes) sont haploïdes: 23 chromosomes (n) La condensation de l’ADN est donc primordiale et indispensable pour que la totalité de l’ADN puisse rentrer dans le noyau: Chromatine est plus ou moins spiralée et compactée selon l’état fonctionnel de l’ADN. Elle peut être: Dispersée (Euchromatine) Condensée (Hétérochromatine) Hautement condensée (chromosome métaphasique) Cours Pr Bouchra CHEBLI 11 Euchromatine Correspond à de la chromatine décondensée. Constituée de fibres nucléoplasmiques (11 nm) Accessible aux ARN polymérases et est donc active d’un point de vue transcriptionnel Hétérochromatine Plus dense, plus condensée et constituée de fibres de chromatine (30 nm) 80 à 90 % de l’ADN nucléaire est sous forme d’hétérochromatine Elle est inactive d’un point de vue transcriptionnel. Deux formes: HC Constitutive: Correspond à des fragments d’ADN qui ne sont jamais transcrits. On les retrouve au niveau du centromères et des télomères des chromosomes Contient souvent des séquences répétitives HC facultative: Correspond à des fragments d’ADN non transcrits dans la cellule où ils sont observés mais qui peuvent être transcrits dans d’autres types cellulaires (ou dans la même cellule dans un autre état de différenciation). Explique en partie le phénomène de différenciation cellulaire Cours Pr Bouchra CHEBLI 12 Nucléosome et compaction de l’ADN Les nucléosomes : Niveau primaire du niveau de compaction de l’ADN Les nucléosomes sont des structures ayant la forme d’un cylindre de 11 nm de diamètre, formées de petites protéines basiques appelées histones nucléosomiques Les histones sont très riches en acides aminés basiques (lysine et arginine), dont la charge positive à pH physiologique permet une interaction forte avec les groupements phosphate de l'ADN qui portent des charges négatives. Il s’agit d’un octamère composé de: 2 histones H2A 2 histones H2B 2 histones H3 et 2 histones H4 Cours Pr Bouchra CHEBLI 13 L’ADN fait deux tours (=146 paires de bases) autour de chaque cylindre. La chaîne d’ADN ressemble à un collier de perles. Les nucléosomes sont séparés par un court segment d’ADN de taille variable (60 à 80 pb) appelé segment de liaison Octamère + 2 tours d’ADN = Coeur nucléosomique Cours Pr Bouchra CHEBLI 14 La fibre nucléosomique et les édifices d’ordre supérieur L’histone H1 se lie à l’ADN à sa sortie du nucléosome. L'histone H1 est placée en tant que pièce de fermeture dans chaque nucléosome et entre simultanément en contact avec les groupes voisins. L’association du nucléosome avec l’histone H1 constitue le chromatosome Les molécules d’histone H1 sont reliées entre elles par des liaisons peptidiques. Elles sont responsables de la constitution de la fibre de chromatine de 30 nm de diamètre ou de type B. Elle est constituée d’un solénoïde dans lequel 6 nucléosomes forment un tour complet. L’histone H1, qui stabilise cet édifice compact. (1) Vue de dessus ; (2) fibre compacte de 30Cours nm ;Pr(3) fibreCHEBLI Bouchra en «collier de perles» 15 Cours Pr Bouchra CHEBLI 16  Organisation chromosome Cours Pr Bouchra CHEBLI 17  Chromosome métaphasique Génome humain composé de: 22 paires d’autosomes 1 paire de gonosomes (chromosomes sexuels XX ou XY) C’est au cours de la métaphase de mitose qu’on peut observer les chromosomes au microscope optique. Chaque chromosome métaphasique est constitué de 3 régions: Centromère, Télomères chromatide Cours Pr Bouchra CHEBLI 18 Centromère: Zone d’étranglement sur le chromosome = constriction primaire. Elle sépare les deux chromatides en 2 bras. Ce sont des zones d’hétérochromatine Constitutive. Structures responsables de l’accrochage des chromosomes au fuseau mitotique. Télomères: Situés aux extrémités des chromosomes Assurent la protection des chromosomes en évitant leur soudure avec d’autres chromosomes Les télomérases assurent la réplication des télomères Il existe une très forte corrélation entre la longueur des télomères et la capacité des cellules à proliférer. La longueur des télomères est liée au vieillissement cellulaire Chez l’Homme, ils sont composés d’une séquence de 6 pb Cours Pr Bouchra CHEBLI 19  LES NUCLEOLES  Les nucléoles : forment une zone dense. Ils disparaissent quand commence la division cellulaire.  Le nucléole est le plus gros sous-compartiment du noyau des cellules eucaryotes. Cet espace particulier du noyau n'est pas délimité par une membrane il n'est donc jamais considéré comme un organite.  Les nucléoles sont les sites où sont synthétisés et assemblés les sous unités des ribosomes.  Le nombre de nucléoles peut varier au cours du cycle cellulaire (généralement 1 seul en phase G0). Cours Pr Bouchra CHEBLI 20 Nucléole: 2 régions, granulaire (prérib+ protéines) et fibrillaire (ADNr et ARNr) Cours Pr Bouchra CHEBLI 21  Caryotype et Génome Respectivement ensemble chromosomes et ensemble des gènes d’un individu Cours Pr Bouchra CHEBLI 22  Les chromosomes homologues Les chromosomes homologues ont même taille et même forme (position du centromère) Si on ajoute des colorants on peut voir apparaître des bandes colorées qui indiquent une organisation Cours Pr Bouchra CHEBLI 23 identique  Rôles noyau - Division cellulaire : Transmission information génétique Mitose (cellules somatiques) Méiose (cellules germinales) - Expression gènes : Transcription ADN et synthèse de protéines Cours Pr Bouchra CHEBLI 24  LE CYCLE CELLULAIRE La reproduction des cellules, grâce au cycle cellulaire, est à la base même de la continuité de la vie. Le cycle cellulaire est une séquence ordonnée d’événements qui décrit les étapes de la vie d’une cellule, de la division d’une cellule mère à la production de deux cellules filles génétiquement identiques. Cours Pr Bouchra CHEBLI 25  LE CYCLE CELLULAIRE But du cycle cellulaire : Assurer la prolifération cellulaire, la croissance des tissus et/ou remplacer les cellules mortes (mort naturelle ou accidentelle). Le cycle cellulaire concerne les cellules somatiques mais aussi les cellules germinales avant la gamétogenèse. Cours Pr Bouchra CHEBLI 26 LE CYCLE CELLULAIRE Il comporte 2 périodes : L’interphase, constituée de 3 phases : – G1 : phase de croissance cellulaire et d’activités métaboliques normales. – S : phase de la réplication de l’ADN (la quantité d’ADN est doublée en vue de la mitose) – G2 : phase préparant la mitose (synthèses d’enzymes, d’organites…) La phase M – La mitose : division du noyau – La cytocinèse ou cytodiérèse : division du cytoplasme Cours Pr Bouchra CHEBLI 27 Cours Pr Bouchra CHEBLI 28  Les phases du cycle cellulaire Quantit G é 2 S d’ADN/cell ule G M 1 Réplication de l’ADN G=interphase (G1,S,G2) – S=Synthèse – M=mitose Cours Pr Bouchra CHEBLI 29 2  La phase mitotique La phase mitotique est un processus à plusieurs étapes pendant lequel les chromosomes répliqués sont alignés, séparés, et se déplacent vers deux nouvelles cellules sœurs identiques. La première partie de la phase mitotique s’appelle la caryocinèse, ou la division cellulaire. La seconde partie de la phase mitotique s’appelle la cytocinèse, c’est-à-dire la séparation physique des composants cytoplasmiques en deux cellules sœurs. Cours Pr Bouchra CHEBLI 30 Caryocinèse (mitose) Mitose : mode de division des cellules somatiques, permet transmission information génétique de la cellule mère aux cellules filles, 4 à 5 phases Prophase Prémétaphase Métaphase Anaphase Télophase Cours Pr Bouchra CHEBLI 31  Les phases de la mitoses – Prophase : L’enveloppe nucléaire commence a se décomposer. la chromatine se condense et les chromosomes dupliqués (avec 2 chromatides) apparaissent. Les microtubules du cytosquelette se réorganisent en fuseau mitotique et les centrosomes se déplacent vers les pôles opposes. – Prometaphase: Les chromosomes continuent a se condenser et sont plus visibles. Les kinetochores apparaissent au niveau du centromère et les microtubules des kinetochores se fixent. Les centrosomes continuent a se déplacer vers les pôles opposes. – La métaphase : Les chromosomes sont très condensés = chromosomes métaphasiques et organisés en plaque équatoriale. – L’anaphase : clivage du centromère et partage des chromosomes dupliqués en 2 lots identiques de chromosomes = simples chromatides qui migrent vers les pôles opposés. – La télophase : le fuseau disparaît, les chromatides se décondensent. La membrane nucléaire se reforme. Cours Pr Bouchra CHEBLI 32 Cours Pr Bouchra CHEBLI 33  2ème phase : la métaphase Cours Pr Bouchra CHEBLI 34  Fin de la métaphase Cours Pr Bouchra CHEBLI 35  Attachement du chromosome aux microtubules Fin de la métaphase Cours Pr Bouchra CHEBLI  3ème phase : l’anaphase Cours Pr Bouchra CHEBLI 37  4ème phase : la télophase Cours Pr Bouchra CHEBLI 38  La cytocinèse ou cytodiérèse La cytocinese, ou ≪ mouvement cellulaire ≫, est souvent considérée comme la seconde étape principale de la phase mitotique, au cours de laquelle la division cellulaire se termine par la séparation physique des composants cytoplasmiques en deux cellules sœurs. Cours Pr Bouchra CHEBLI 39 Récapitulatif de la mitose Cours Pr Bouchra CHEBLI 40  Une cellule somatique est une cellule diploïde qui ne subit pas la méiose. Cela correspond à l’essentiel des cellules de l’organisme. Une cellule germinale est une cellule diploïde qui peut subir la méiose et donner des gamètes. Ce sont les cellules-mères des gamètes. Chez l'être humain, les cellules qui vont participer à la méiose sont les spermatocytes et les ovocytes. Avant la méiose, une cellule germinale subit une interphase identique à celle des autres cycles cellulaires La méiose comprend ensuite l’équivalent de deux divisions cellulaires successives non entrecoupées par une interphase. Cours Pr Bouchra CHEBLI 41  La méiose Double division de la cellule aboutissant à la réduction de moitié du nombre des chromosomes, et qui se produit au moment de la formation des cellules reproductrices, ou gamètes. (À l'issue de la méiose, chaque cellule diploïde forme ainsi quatre gamètes haploïdes.) Important! La méiose et la mitose se ressemblent beaucoup. La principale différence est que, dans la méiose, la cellule subit deux divisions subséquentes. La première division, appelée méiose I, sépare les paires de chromosomes, ce qui diminue de moitié le nombre de chromosomes. À la fin de la première division, chaque cellule possède donc 23 chromosomes. La deuxième division, appelée méiose II, consiste à scinder les chromosomes en deux à partir de leur point d'attache. Il en résulte donc quatre cellules filles haploïdes. Cours Pr Bouchra CHEBLI 42  La méiose Les étapes de la méiose se subdivisent en deux grandes étapes que l’on nomme la méiose I et la méiose II. Chacune de ces étapes se subdivise en quatre étapes qui rappellent un peu les phases de la mitose (en plus d’une ou deux étapes d’interphase). Lors de la méiose, on a donc neuf ou dix étapes, selon le nombre d'étapes d'interphase. Cours Pr Bouchra CHEBLI 43  La méiose Il y a un double brassage génétique au cours de la méiose. L'un du à la recombinaison des brins d' ADN. pendant les crossing over , L'autre à la séparation au hasard de chacun des chromosomes de chaque paire de chromosome homologue, dans l'une ou l'autre des cellules filles. Ces recombinaisons génétiques permettent d'obtenir des gamètes dont chacun porte un arrangement génétique unique. Ces recombinaisons sont aussi à la base de toute la génétique classique et de la génomique car elles permettent de déterminer la position des gènes sur les chromosomes et d'établir des cartes génétiques. Cours Pr Bouchra CHEBLI 44 Les deux divisions de la Méiose Crossing over (en fait pendant prophase 1) Interphase cytokinèse Prophase metaphas anaphas telophas Prophas metaphas anaphas telophas 1 e1 e1 eCours 1 Pr BouchraeCHEBLI 2 e2 e2 4 e2 5  PREMIERE DIVISION DE LA MEIOSE cas hypothèse : cellule à 4 chr Résultat : 2 cellules haploïdes contenant n chromosomes (1 de chaque paire) à 2 chromatides Légendes : (A : haploïde/diploïde ; B : nombre de chromosomes ; C nombre de chromatides par chromosome) Cours Pr Bouchra CHEBLI 46  DEUXIEME DIVISION DE LA MEIOSE cas hypothèse : cellule à 4 chr. Résultat : 4 cellules haploïdes contenant n chromosomes (1 de chaque paire) à 1 chromatide Légendes : (A : haploïde/diploïde ; B : nombre de chromosomes ; C nombre de chromatides Cours Pr Bouchra CHEBLI 47 par chromosome) Bilan de la méiose Cours Pr Bouchra CHEBLI 48  Contrôle du cycle cellulaire Durée variable en fonction du type cellulaire : G1 détermine la durée globale Après différenciation, certaines cellules ne se divisent plus, elles entrent en G0 : cellules quiescentes. Pour assurer, d’une part, l’ordre immuable de la succession des quatre phases du cycle (régulation du cycle), et d’autre part, l’obtention de deux cellules filles rigoureusement identiques (surveillance de l’ADN), la cellule dispose de systèmes de régulation hautement perfectionnés. Dans le premier cas, (régulation du cycle), ce sont essentiellement deux groupes de protéines, les cyclines et les kinases cycline-dependantes (Cdk), qui interviennent. Dans le second cas, d’autres molécules interviennent dans différents mécanismes de surveillance du cycle pour inhiber les Cdk de la régulation du cycle et arrêter le cycle, si l’étape précédente n’est pas terminée, ou si une « réparation » est nécessaire. 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. Cours Pr Bouchra CHEBLI 49  Régulation positive du cycle cellulaire par les cyclines kinases Les cyclines régulent le cycle cellulaire uniquement lorsqu’elles sont étroitement liées aux Cdk. Pour être totalement active, le complexe Cycline/Cdk doit également être phosphoryle dans des endroits spécifiques Cdk sont aussi régulées par diverses protéines (phosphatases, kinases) Cours Pr Bouchra CHEBLI 50 Cycle Cellulaire 2 phases : Interphase, Interphase : 3 stades, G1, S et G2 Mitose : 6 phases Prophase – Prémétaphase – Métaphase – Anaphase – Télophase - cytodiérèse Cours Pr Bouchra CHEBLI 51  Phosphorylent et inactivent la protéine Rb ("Rétinoblastoma protein"), ce qui a Cycline D / pour effet de libérer les facteurs de transcription E2F qui Cdk4 contrôlent l’expression G1 et de gènes nécessaires pour la transition G1/S et pour la Cycline D / progression de Cdk 6 S (synthèse des cyclines E et A, entre autres). G1 Cycline E / Responsable de la transition G1/S. Phosphoryle la protéine Rb. /S Cdk 2 Induit la duplication du centrosome dans certains cas (xénope) Phosphoryle des substrats qui déclenchent et entretiennent la réplication de Cycline A / l’ADN et l’inactivation de facteurs de transcription de la phase G1. S Cdk 2 induit la duplication du centrosome chez les mammifères. arrêt de la dégradation de la cycline B qui s'accumule. G2 Cycline B / Dirige la transition G2/M par phosphorylation de nombreux substrats et conduit /M Cdk 1 la progression de la mitose. Cours Pr Bouchra CHEBLI 52  CHAPITRE 4 Mécanisme de l’apoptose et dégénérescence cellulaire Cours Pr Bouchra CHEBLI 53  L’apoptose ou mort cellulaire Apoptose ou mort cellulaire programmée est le processus par lequel des cellules déclenchent leur autodestruction en réponse à un signal (intra ou extracellulaire). Cela se manifeste par exemple : lors de dommages irréparables de l'ADN (chimiothérapie, rayons-X, radicaux libres d'oxygène) ou lors de la perte de contact cellule-matrice. L'apoptose est une composante normale du développement d'un organisme multicellulaire, qui aboutit à la mort de cellules particulières, à certains endroits, à un moment précis. Ainsi, c'est l'apoptose qui tue les cellules entre les doigts au cours du développement embryonnaire, pour permettre de les dissocier. Le même phénomène fait disparaître l'appendice caudal. L'apoptose est également impliquée dans l'élimination de cellules immunitaires incompétentes ou devenues inutiles. L'apoptose sert aussi à éliminer les cellules qui présentent des dommages irréparables de l'ADN (télomères abimés), pour éviter l'apparition de cancers. Cours Pr Bouchra CHEBLI 54  Etapes de l’apoptose Les premières manifestations morphologiques se caractérisent par une compaction et une marginalisation de la chromatine nucléaire, Le noyau se fragmente ensuite, chaque fragment entouré d'une double enveloppe. Des corps apoptotiques (éléments cytoplasmiques et nucléaires) sont ensuite relargués et vont être phagocytés par les cellules voisines. Cours Pr Bouchra CHEBLI 55  Mécanismes de l’apoptose Cette apoptose s’effectue selon un processus stéréotypé et conservé suggérant l’existence d’un mécanisme général de destruction. Au point de vue biochimique, elles sont caractérisées par une translocation des phosphatidylsérines membranaires, une dégradation spécifique de l’ADN (en fragments de haut poids moléculaire et/ou en fragments oligonucléosomaux) et une dégradation sélective de certaines protéines cellulaires Cours Pr Bouchra CHEBLI 56 Cours Pr Bouchra CHEBLI 57  Différences entre nécrose et apoptose La nécrose se distingue de l'apoptose (mort programmée des cellules) qui est un phénomène normal jouant un rôle important dans le recyclage des cellules, alors que la nécrose est presque toujours néfaste, échappe au contrôle de l'organisme et peut s'avérer fatale (septicémie / gangrène mortelle ou autres maladies) Cours Pr Bouchra CHEBLI 58 Cours Pr Bouchra CHEBLI 59