Tutorat Biologie Cellulaire - Ronéo 6 - PDF

TUTORAT SANTE BOBIGNY RONEO N°6 Semaine du 28/10/2024 au 01/11/2024 Licence Sciences pour la Santé “Tout est possible du moment qu’on a assez de cran.” Sommaire M.Dumas  Socle “Tout est possible du moment qu’on a assez de cr...

TUTORAT SANTE BOBIGNY RONEO N°6 Semaine du 28/10/2024 au 01/11/2024 Licence Sciences pour la Santé “Tout est possible du moment qu’on a assez de cran.” Sommaire M.Dumas  Socle “Tout est possible du moment qu’on a assez de cran.” GINNY WEASLEY  UE BIOLOGIE – SOCLE COMMUN Biologie cellulaire 08 – PROBLÈMES LIÉS À LA COMPARTIMENTATION Points clés Définition de l’osmose et calcul de la pression osmotique Les principes de transport de l’eau (aquaporine) Les principes de diffusion passive et de diffusion passive facilitée Le mode de passage des métabolites (transport actif et passif) Les mécanismes d’action de la Na+/K+ ATPase Les mécanismes de transport du glucose et les systèmes de co-transport Biologie cellulaire Tutorat 08 - Les problèmes liés à la compartimentation Santé Bobigny PLAN DU COURS I. Problème osmotique A. Compartimentation cellulaire B. Perméabilité membranaire II. Deux principaux problèmes A. Problème lié à la composition des milieux B. Problème lié aux macromolécules III. Transports membranaires A. Généralités B. Transport passif C. Transport actif D. Cotransport Université 2 sur 15 Sorbonne Paris Nord Biologie cellulaire Tutorat 08 - Les problèmes liés à la compartimentation Santé Bobigny I. PROBLEME OSMOTIQUE A. Compartimentation cellulaire ♦ La compartimentation d’une cellule va engendrer quelques problèmes notamment : o Des phénomènes d’accumulation de substance dans un espace limité=problèmes d’osmose o Des problèmes de barrière ♦ La présence de barrières membranaires limite les mouvements des molécules à l’intérieur des cellules. Un métabolite est un composé organique intermédiaire ou issu du métabolisme. ♦ Il y a donc une nécessité de la mise en place de transporteurs pour permettre les échanges de métabolites et d'informations avec le milieu (soit entre les organites eux-mêmes, soit entre l’intérieur et l’extérieur de la cellule), afin de permettre la survie de la cellule. B. Perméabilité membranaire ♦ Lois de l’osmose décrivent des mouvements de solvant (l’eau dans la cellule) ♦ On considère 2 compartiments séparés par une membrane : o 1 compartiment comportant de l’eau pure o 1 compartiment contenant une solution aqueuse saline ♦ Selon la perméabilité de la membrane, les mouvements vont être différents. Milieu hypotonique : Il a une concentration en solutés (particules dissoutes) plus faible que le milieu de l'autre côté de la membrane. Milieu hypertonique : Il a une concentration en solutés plus élevée ♦ Elle laisse passer les solutés et le solvant, le système va évoluer de sorte que Si membrane est les concentrations du soluté de part et d’autre de la membrane vont perméable s’équilibrer. ♦ Elle laisse passer uniquement le solvant et pas les solutés ♦ Le système va aussi tendre vers un équilibre de concentration. ♦ Comme seul le solvant peut traverser la membrane, cette diffusion du Si membrane est ♦ solvant est appelée phénomène d’osmose. hémi-perméable ---> L’eau passera du compartiment où elle est pure (où elle est hautement = semi-perméable concentrée) au compartiment où elle contient des solutés (où sa concentration est plus faible puisqu’elle contient aussi des molécules de solutés). Si membrane est ♦ Rien ne traversera la membrane. imperméable Université 3 sur 15 Sorbonne Paris Nord Biologie cellulaire Tutorat 08 - Les problèmes liés à la compartimentation Santé Bobigny B. Perméabilité membranaire Pression osmotique ♦ Le flux d’eau se traduit par une augmentation du volume dans le compartiment contenant le soluté. ♦ Si on s’oppose à cette variation de volume par application d’une pression sur le compartiment contenant la solution saline (qu’on appelle la pression hydrostatique) on peut empêcher l’eau de monter dans le compartiment. ♦ La valeur de cette pression mesurée est ce qu’on appelle la pression osmotique de la solution. ♦ La pression osmotique dépend de plusieurs paramètres, notamment de la concentration en soluté (nombre de particules par litre de solvant) =osmolarité. Formule ♦ R=constante des gaz parfait ♦ T=température en degrés kelvin ♦ C=osmolarité de la solution en mole par litre (ou osmole par litre) ♦ Une solution aqueuse de chlorure de sodium NaCl avec un poids moléculaire de 58.5 contenants 5.85g /l soit 0.1mol/l aura une osmolarité de 0.2 osmole/L. ♦ En effet, quand on met du NaCl dans de l’eau, elle se dissocie sous forme de Na+ et Cl- qui provoque l’apparition de 2 espèces moléculaires (d’où l’osmolarité de Exemple 0.2 car 2x0.1=0.2) qui vont jouer un rôle en termes d’osmolarité. (Ils vont participer au gradient de concentration, traité plus loin dans le cours). ♦ Approximativement, on considère que les membranes plasmiques agissent comme des membranes hémi-perméables permettant donc les mouvements d’eau. Université 4 sur 15 Sorbonne Paris Nord Biologie cellulaire Tutorat 08 - Les problèmes liés à la compartimentation Santé Bobigny B. Perméabilité membranaire Exemple du globule rouge ♦ On plonge un GR dans une solution de chlorure de sodium à 0.15 molaire avec une osmolarité de 300 mosml/l ; Le GR ne change Solution isotonique ♦ pas de volume. ♦ On est dans une solution où l’osmolarité à l’intérieur de la cellule est équivalente à celle de l’extérieur = solution isotonique. ♦ On plonge un GR dans une solution moins concentrée =solution hypotonique ; Solution hypotonique ♦ Le GR va augmenter de volume : l’eau va entrer à l’intérieur et il va gonfler. ♦ Si solution est très hypotonique, le GR va gonfler jusqu’à exploser. ♦ On plonge un GR dans une solution plus concentrée=solution hypertonique Solution hypertonique ♦ Le GR va se déformer, induisant une diminution de son volume et prendre un aspect crénelé ♦ Le GR va diminuer de volume : l’eau va sortir. ♦ Le GR a une osmolalité égale à 300 mosml. ♦ Ces variations de volumes se traduisent essentiellement par des mouvements d’eau de part et d’autre de la membrane des GR. Université 5 sur 15 Sorbonne Paris Nord Biologie cellulaire Tutorat 08 - Les problèmes liés à la compartimentation Santé Bobigny II. DEUX PRINCIPAUX PROBLEMES A. Problème lié à la composition des milieux ♦ Les milieux intra et extracellulaires contiennent en plus de l’eau, des ions et des protéines. ♦ Cependant la membrane plasmique n’est pas strictement hémiperméable donc certains ions vont diffuser lentement dans un sens comme dans l’autre à travers celle-ci. ♦ Si les variations d’osmolarité du milieu ne sont pas trop rapides, un équilibre de concentration peut être atteint, c’est le premier problème. B. Problèmes liés aux macromolécules ♦ Le second problème provient de la présence de très nombreuses macromolécules des cellules qui ne peuvent pas traverser la membrane. ♦ Ces macromolécules sont souvent chargées électriquement, créant donc ce qu’on appelle un gradient de potentiel électrique de part et d’autre de la membrane. ♦ Leurs charges sont neutralisées par les ions ; ainsi la répartition finale des ions dépend à la fois des gradients de concentration et des gradients de potentiel électrique. ♦ Cette répartition des ions qui dépend des gradients est la raison pour laquelle certains ions sont plus nombreux à l’intérieur qu’à l’extérieur de la cellule. ♦ Cela provoque une osmolarité dans les cellules, celle-ci est plus grande dans le cytoplasme qu’à l’extérieur, donc par effet d’osmose l’eau va avoir tendance à entrer dans les cellules et tend à les faire éclater. ♦ Selon les espèces, les mécanismes de ressortie de l’eau diffèrent. ♦ De la famille des protozoaires. ♦ Possède des vacuoles pulsatiles qui servent à expulser l’eau vers le milieu extérieur. Exemple de la paramécie ♦ Dans la plupart des cellules animales (mammifères) ; on va avoir des Chez les systèmes des pompes qui sont capable de rejeter certains ions vers mammifères l’extérieur pour réduire l’osmolarité du cytoplasme. Université 6 sur 15 Sorbonne Paris Nord Biologie cellulaire Tutorat 08 - Les problèmes liés à la compartimentation Santé Bobigny III. LES TRANSPORTS TRANSMEMBRANAIRES A. Généralités ♦ Pour pouvoir maintenir des réactions de métabolisme à l’intérieur de la cellule ; il faut des entrées de métabolite. ♦ Or, pour pouvoir entrer dans la cellule, il faut traverser la membrane (plasmique et de l’organite si les molécules doivent rejoindre un organite en particulier). ♦ Certains produits élaborés dans la cellule sont déversés dans le milieu environnant. ♦ Il existe donc un ensemble de mécanismes qui vont permettre à toutes ces molécules de franchir la membrane plasmique et vont faire intervenir des transports membranaires. ♦ On parle de transport perméatif pour les transports transmembranaires qui n’impliquent pas de modification morphologique de la membrane plasmique. Les petites molécules traversent la membrane grâce à de multiples ♦ mécanismes qui sont classés en fonction : o De la nature de la molécule transportée o Du besoin ou non de source énergétique pour ce transport Les petites Par exemple, les gaz respiratoires qui sont liposolubles donc hydrophobes ♦ molécules vont franchir la barrière membranaire sans problème. ♦ En revanche, les molécules hydrophiles de petite taille (ion, métabolite...) vont devoir être pris en charge par des protéines de transport membranaires capables de faire traverser ces substances à travers la membrane. Ces transports à travers la membrane vont se dérouler : o Sans l’intervention du cytosquelette o Sans modification de la membrane Caractéristiques ♦ Les transporteurs font passer à travers la membrane plasmique des molécules de type : O Non polaire o Faible poids moléculaire (en général) o Nécessitant des protéines intramembranaires spécifiques (des molécules de transport) ♦ En fonction ou non du besoin en énergie de ces transports on va distinguer 2 Type de types : transport o Transport passif = ne nécessite pas d’énergie o Transport actif = nécessite de l’énergie Université 7 sur 15 Sorbonne Paris Nord Biologie cellulaire Tutorat 08 - Les problèmes liés à la compartimentation Santé Bobigny III. LES TRANSPORTS TRANSMEMBRANAIRES B. Transport passif ♦ Les transports passifs sont des transports transmembranaires qui ne consomment pas d’énergie par définition. ♦ Ils sont de 2 types : o Diffusion simple (modification d’hydrophobie de la membrane, comprend la diffusion par solvant) o Diffusion passive facilitée (se font par transporteur c’est-à-dire par protéine porteuse appelé aussi des perméases, des canaux ioniques qui engendrent la diffusion passive facilitée) ♦ Ces diffusions vont dans le sens du gradient de concentration ! 1. Diffusion simple ♦ Ou : diffusion par solvant ♦ On va avoir des échanges par diffusion qui sont conditionnés par différents paramètres comme : o La taille des molécules o La présence (ou absence) de polarité o La présence de charge, gradient de concentration o La solubilité dans les lipides ♦ Concernant la taille : la vitesse de pénétration d’une molécule est inversement proportionnelle à son volume (vrai en réalité que pour les petites molécules). Une molécule polarisée ne pourra pas entrer dans une cellule partransport Précisions ♦ passif. ♦ Une molécule non chargée et à haut degré d’hydratation (entourée de beaucoup de molécules d’eau), ne pourra pas traverser la membrane par un transport de type diffusion simple. ♦ Dans le cas d’une molécule capable de se mouvoir librement à travers la membrane ; la vitesse de progression va dépendre de la concentration de part et d’autre de la membrane. ♦ La molécule se déplace de la région de forte concentration vers la région de faible concentration, c’est-à-dire, toujours selon son gradient de concentration. ♦ Cela représente un nombre limité de molécules ; c’est le cas pour : o Molécules de gaz : O2, N, CO2 o Hormones stéroïdes o Eau ♦ Petite précision concernant l’eau : même si c’est une molécule polaire, elle peut passer très lentement grâce à des espaces crées par des parties hydrocarbonées des phospholipides. Université 8 sur 15 Sorbonne Paris Nord Biologie cellulaire Tutorat 08 - Les problèmes liés à la compartimentation Santé Bobigny B. Transport passif 1. Diffusion simple Diffusion par solvant ♦ Cette diffusion se produit grâce à des modifications de l’hydrophobicité de la membrane ♦ Celle-ci peut être modifiée par le regroupement temporaire (quelque millième de seconde) de protéines intramembranaires sous forme de pores qui sont perméables à l’eau ♦ Les grenouilles ne vivent jamais très loin de milieux aqueux. En cas de déshydratation, la grenouille peut réabsorber de l’eau qui est ♦ à l’intérieur de sa vessie grâce à la formation de pores. Paroi de la vessie de Les pores vont se former par regroupement de protéines dans la ♦ grenouille membrane plasmique des cellules de la paroi de la vessie. ♦ Via une simulation hormonale, ces protéines vont former un canal qui permettra à l’eau de ressortir de la vessie et de repasser dans l’organisme de la grenouille. Université 9 sur 15 Sorbonne Paris Nord Biologie cellulaire Tutorat 08 - Les problèmes liés à la compartimentation Santé Bobigny B. Transport passif 2. Diffusion passive facilitée ♦ On fait appel à des protéines porteuses, des perméases qui sont des transports qui ne nécessitent pas d’énergie pour fonctionner. ♦ L’« énergie » de ces transports provient du gradient de concentration de la molécule qui doit être transportée. ♦ S’il y a une différence de concentration de part et d’autre de la membrane, ces molécules de transports vont faciliter le passage des molécules entre les 2 compartiments mais TOUJOURS dans le sens du gradient (c’est-à-dire du compartiment où elles sont très concentrées vers la zone où elles le sont moins). ♦ Uniport : transporteur assure le passage d’une molécule d’un côté vers l’autre de la membrane plasmique ou de la membrane d’un organite. ♦ Symport : transporteur est capable d’assurer le passage de 2 types de molécules différentes dans le même sens. ♦ Antiport : transporteur va assurer un échange de 2 molécules différentes dans des sens opposés. 3 catégories de transporteurs ♦ La plupart de ces protéines (transporteur, perméase) sont : o De haut poids moléculaire o Hydrophile o Capable de fixer par complémentarité stérique Caractéristiques une molécule extracellulaire et la transférer de façon spécifique à l’intérieur de la cellule. Université 10 sur 15 Sorbonne Paris Nord Biologie cellulaire Tutorat 08 - Les problèmes liés à la compartimentation Santé Bobigny B. Transport passif 2. Diffusion passive facilitée Aquaporines ♦ Capable de transporter de façon sélective de l’eau et uniquement des molécules d’eau d’une face à l’autre de la membrane plasmique. ♦ L’eau passe librement à travers, alors que les ions et les autres molécules ne peuvent pas. ♦ Ces canaux ont été découverts dans les années 80 par un biologiste américain Petter Agre qui a obtenu un prix Nobel de chimie en 2003. ♦ Ces aquaporines sont capables de transporter un nombre considérable de molécules d’eau (3 milliards de molécules d’eau par seconde). ♦ Il existe plus de 500 différentes aquaporines dans le monde animal, végétal et 13 de ces aquaporines chez l’homme. ♦ Ce sont des protéines qui font 250-300 acides aminés et 25-35 kDa. ♦ Elles sont constituées de fragments de protéines en hélice alpha (au nombre de 6) qui vont s’insérer dans la bicouche lipidique de la membrane. ♦ Ces hélices sont reliées par des boucles d’acide aminé, dont 3 AA sont particulièrement importants o Asparagine (N) o Proline (P) o Alanine (A) ♦ Ces 3 AA se trouvent au milieu des boucles. Transporteur du glucose ♦ Chez les mammifères actuellement on a mis en évidence 5 transporteurs de glucose différents selon le type cellulaire (GLUT1.GLUT2….). ♦ Il possède une certaine conformation. ♦ Il va fixer une molécule de glucose et avoir une modification conformationnelle va qui lui permettre de « se retourner » et libérer la molécule de glucose. Principe Université 11 sur 15 Sorbonne Paris Nord Biologie cellulaire Tutorat 08 - Les problèmes liés à la compartimentation Santé Bobigny B. Transport passif 2. Diffusion passive facilitée Canaux ionique ♦ Constitués par des protéines transmembranaires (en général des protéines à passage multiple) qui transportent des ions de façon spécifique et sélective. ♦ Ces protéines transmembranaires forment des pores, des canaux hydrophiles dont l’ouverture et la fermeture du côté extra cellulaire dépend de groupements protéiques qui agissent comme « une porte ». ♦ Les ions ne peuvent franchir ces canaux que s’ils sont séparés des molécules d’eau qui les accompagnent (ne laissent passer que les ions donc et pas les molécules d’eau). ♦ Canaux ionique voltage dépendant : l’ouverture du canal dépend du potentiel membranaire. Un potentiel de membrane, ou le potentiel membranaire, est la différence de potentiel électrique de part et d'autre d'une membrane. ♦ Canaux ionique ligand dépendant : l’ouverture du canal dépend de la fixation d’un ligand. Ils sont présents dans toutes les cellules, notamment à la surface des neurones. ♦ Canaux Ioniques dépendants de nucléotides cycliques Types ♦Tous ces canaux ne nécessitent pas d’énergie mais sont en nombre limité dans les membranes et donc certains de ces transports sont dit SATURABLES. ♦ A un moment donné, quand ils vont tous être occupés à transporter, on ne pourra plus avoir de mécanisme de transport ♦ Quand on a un phénomène de diffusion passive ; plus la concentration augmente ; plus les molécules entrent. ♦ Dans le cas de diffusion passive facilitée ; la pente est plus « raide » ce qui montre que ce sont des mécanismes de transport plus efficaces (=ça va plus vite) mais à un moment la courbe rencontre un plateau qui est dû à la saturabilité de ces transporteurs. Université 12 sur 15 Sorbonne Paris Nord Biologie cellulaire Tutorat 08 - Les problèmes liés à la compartimentation Santé Bobigny III. Les transports transmembranaires C. Transport actif ♦ Transport qui consomme de l’énergie pour fonctionner. ♦ Leur particularité est qu’ils peuvent transporter des molécules contre leur gradient de concentration ou gradient électrique. ♦ Pour cela, ils vont dépenser de l’énergie ; le plus souvent provenant de l’hydrolyse de l’ATP. ♦ L’hydrolyse de l’ATP en ADP va permettre de libérer de l’énergie utilisée par ces mécanismes de transports. ♦ Les transports actifs nécessitent aussi l’existence de transporteurs et perméases ACTIFS. ♦ Certains de ces transports peuvent être couplés à des transporteurs passifs : on parle de phénomènes de cotransport. ♦ C’est une protéine constituée de 4 sous unités = tétramères. ♦ Ce tétramère est constitué de 2 sous unités alpha et 2 sous unités beta. Cette pompe a un poids moléculaire d’environ 270 kDa : ♦ o Sous unité alpha : 95 kDa (grosse sous unité) o Sous unité beta : 40 kDa ♦ La sous unité alpha possède le site de fixation situé sur la face intracellulaire et donc la capacité d’hydrolyser l’ATP. Il existe aussi un site de fixation pour des substances stéroïdes de type cardiotonique sur la face extracellulaire. ♦ Pompe Na+/K+ ATPase Université 13 sur 15 Sorbonne Paris Nord Biologie cellulaire Tutorat 08 - Les problèmes liés à la compartimentation Santé Bobigny C. Transport actif Pompe Na+/K+ ATPase (suite) ♦ La pompe va faire sortir 3 Na+ de la cellule pour faire entrer 2 K+. ♦ L’hydrolyse de l’ATP provoque la libération d’un phosphate ; ce phosphate va pouvoir phosphoryler une enzyme. ♦ Cette hydrolyse nécessite la présence d’ion magnésium. ♦ Na = ion sodium et K+ = ion potassium + 1. Phosphorylation de l’enzyme grâce à l’hydrolyse de l’ATP, se fait en présence de Mg2+ (=ion magnésium). 2. Fixation des 3 Na+ sur un site qui est le récepteur localisé sur la face intracytoplasmique de la molécule. 3. Modification la conformation tridimensionnelle de l’enzyme de manière à conduire les 3 Na+ vers la face externe. Mode d’action 4. Phénomène de déphosphorylation de l’enzyme qui s’accompagne de la libération d’ions Na+ à l’extérieur de la cellule et la fixation de 2 K+. 5. La molécule de Na+ /K+ ATPase va reprendre sa conformation initiale et libérer les ions K+ dans le cytosol. 6. La pompe Na+/K+ ATPase est de nouveau prête à fonctionner. Cette pompe fonctionne en permanence en faisant rentrer du K+ et sortir du Na+. Ces transporteurs ont pour fonction d’assurer l’HOMEOSTASIE des ions dans la cellule. Il existe aussi des protons ATPase ou des Calcium ATPase, ils participent de la même façon au maintien en ions de la cellule par rapport au milieu extérieur et au plasma. Ces transporteurs vont créer un POTENTIEL ÉLECTRIQUE entre la face interne et externe de la membrane plasmique. Cela qui explique la raison pour laquelle on a une polarité négative à l’intérieur de la membrane (face cytosolique) et positive à l’extérieur de la membrane (face extra-cellulaire). Ce phénomène créer un GRADIENT ÉLECTRIQUE entre l’intérieur et l’extérieur ; permet donc le fonctionnement d’un certain nombre de canaux de type voltage dépendant. Université 14 sur 15 Sorbonne Paris Nord Biologie cellulaire Tutorat 08 - Les problèmes liés à la compartimentation Santé Bobigny III. Les transports transmembranaires D. Cotransport ♦ Sont formés de l’association de transport actif avec transport passif ♦ Ce sont des systèmes de transport soit symport, soit antiport ♦ Couplent les transports actifs et passifs dans le même sens ♦ A pour force motrice le flux d’ion qui suit un gradient électrochimique. Par l’action de la Na+/K+ ATPase : on fait sortir du Na+, on aura plus de Na+ à ♦ l’extérieur qu’à l’intérieur. Donc naturellement le Na+ va vouloir entrer dans la cellule. Symport ♦ ♦ Exemple : cotransport Na+/glucose : le sodium en entrant va emporter avec lui, le glucose permet donc l’entrée de glucose grâce à l’entrée simultanée du sodium. ♦ Transporte les substances simultanément dans des sens opposés. ♦ Exemple : des échangeur H+/Na+ : il régule le pH à l’intérieur des cellules Antiport grâce à l’entrée de H+ dans la cellule ; là encore, le sodium qui a tendance à vouloir entrer à l’intérieur de la cellule ; en entrant il permet la sortie du H+. Université 15 sur 15 Sorbonne Paris Nord  UE BIOLOGIE – SOCLE COMMUN Biologie cellulaire 09 – REGULATION DU CYCLE CELLULAIRE Points clés cclccccccccccccccclclés  Définitions et modes d’actions des différentes CDK  Connaître les différents complexes cyclines-CDK et leurs moments d’intervention  Actions des différents complexes cyclines-CDK  Biologie cellulaire Tutorat 06 – Régulation du cycle cellulaire Santé Bobigny PLAN DU COURS I. Introduction II. Les kinases cyclines dépendantes (CDK) A. Propriétés B. Mode d’action des CDK C. Complexes cyclines CDK D. Mécanisme de régulation des CDK III. Trois mécanismes de surveillances importants IV. La mitose V. La protéine P53 « gardien du génome » VI. La phase G0 VII. Gènes suppresseurs de tumeurs Université 2 sur 23 Sorbonne Paris Nord  Biologie cellulaire Tutorat 06 – Régulation du cycle cellulaire Santé Bobigny I. INTRODUCTION ♦ Le cycle cellulaire est l’ensemble des phases que connaît une cellule entre 2 divisions. ♦ Il consiste en un ensemble ordonné d’événements qui vont mener à la croissance cellulaire et à la division en 2 cellules filles. ♦ Les étapes sont dans l’ordre : G1 (intervalle) , S (synthèse) , G2 ( intervalle) , M (mitose ou selon les situations méiose). On distingue une phase G1 qui est une phase de croissance notamment du cytoplasme ; une phase S au cours de laquelle il y a duplication de l’ADN (phase de synthèse de l’ADN) et duplication du centrosome ; une phase G2 qui est une phase de préparation à la division cellulaire ; la phase M de mitose qui se termine par la séparation des 2 cellules filles c’est-à-dire la division du cytoplasme par la cytokinèse. ♦ On considère que les phases G1, G2 et S constituent l’interphase, qui peut, suivant les cas, être rallongée par une phase G0. Cycle cellulaire Université 3 sur 23 Sorbonne Paris Nord  Biologie cellulaire Tutorat 06 – Régulation du cycle cellulaire Santé Bobigny ♦ Il est extrêmement important pour la survie des cellules et des organismes que ce cycle cellulaire soit régulé. Les organismes doivent pouvoir arrêter la division cellulaire lorsque la cellule est endommagée, ou lorsqu’il n’y a pas suffisamment de nourriture, d’oxygène, et ceci, de manière à pouvoir permettre une nouvelle croissance. Mais ils doivent aussi pouvoir démarrer une nouvelle Régulation division lorsque la croissance ou des phénomènes physiologiques du cycle comme les phénomènes de cicatrisation sont nécessaires. cellulaire ♦ Pour faire cette régulation, les cellules vont utiliser une variété de cascades de signaux, essentiellement chimiques, dans laquelle il y a une sorte de maillon d’une chaîne qui va créer des effets extrêmement complexes, basés sur des signaux qui sont à l’origine relativement simples. ♦ Nous allons voir dans cette partie du cours ces différentes cascades de régulation, sachant qu’une seule protéine peut modifier la fonction de très nombreuses autres protéines, pouvant entraîner des changements généralisés au fonctionnement ou même à la structure de la cellule. Université 4 sur 23 Sorbonne Paris Nord  Biologie cellulaire Tutorat 06 – Régulation du cycle cellulaire Santé Bobigny II. LES KINASES CYCLINE-DÉPENDANTES A. PROPRIÉTÉS ♦ Les kinases cyclines dépendantes, agissent comme des points d’arrêt. ♦ Si les cyclines ou les kinases dépendantes des cyclines ne donnent pas un signal, qui peut être considéré comme un « feu vert », alors la cellule ne va pas aller dans les étapes suivantes du cycle cellulaire. ♦ Pour s’assurer de l’ordre immuable de la succession des 4 phases du cycle cellulaire (= régulation) et garantir de l’obtention de 2 cellules filles, identiques par des mécanismes de surveillance de l’ADN, la cellule dispose de systèmes de régulation hautement perfectionnés qui vont donc intervenir à plusieurs niveaux. ♦ Dans le premier cas, il existe toute une machinerie moléculaire qui va assurer l’exécution de chaque phase, mais aussi qui va permettre les transitions entre les différentes phases du cycle. ♦ Ces moteurs moléculaires sont des protéines enzymatiques, les kinases cycline- dépendantes, qui sont des CDK, dont la séquence d’activation puis d’inhibition vont rythmer chaque phase du 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 au moment opportun ni avant ni après. Université 5 sur 23 Sorbonne Paris Nord  Biologie cellulaire Tutorat 06 – Régulation du cycle cellulaire Santé Bobigny II. LES KINASES CYCLINE-DÉPENDANTES (CDK) A. PROPRIÉTÉS (suite) ♦ Il existe aussi un système de surveillance de la bonne exécution de chaque phase. ♦ Il existe non seulement des molécules qui vont intervenir dans le passage d’une phase à l’autre, mais il existe aussi des mécanismes de surveillance qui vont s’assurer que tout fonctionne bien notamment au cours d’une phase mais aussi que la transition entre G1 et S et entre S et G2 se fasse bien. ♦ Il existe un ensemble de mécanismes qui vont faire intervenir des molécules, qui vont sonder les événements majeurs du cycle comme un système de contrôle qualité, qui vérifie que tout est bien en ordre et ainsi, peut inhiber les CDK, et donc arrêter le cycle, même si l’étape n’est pas terminée ou si on s’aperçoit par exemple au cours de la phase S, que l’ADN nécessite des réparations, alors le cycle s’arrête, la cellule répare son ADN qui vient d’être répliqué et qui présente des défauts. Une fois la réparation a eu lieu, le cycle peut reprendre. ♦ Ces systèmes permettent la surveillance d’aspects fondamentaux comme l’état des molécules avant, pendant et après leur réplication : on appelle cela le « DNA damage Checkpoint », qui est un mécanisme de surveillance des dommages de l’ADN, mais aussi un mécanisme qui contrôle en fin de réplication de l’ADN que tout est bien en ordre pour pouvoir passer en phase G2. ♦ Il faut s’assurer lors de la mitose que l’ADN qui va être transmis aux 2 cellules filles soit correct sinon cela peut provoquer des dégâts c’est-à-dire des morts cellulaires. ♦ De même, il existe un point extrêmement important qui est au moment de la métaphase : c’est le bon alignement des chromosomes sur la plaque métaphysique, ceci permettant avant la séparation des chromatides sœurs, qui est ce qu’on appelle le Mitotic checkpoint, qui vérifie que tous les chromosomes sont bien alignés sur la plaque métaphasique, pour éviter que dans une cellule fille, il y ait un nombre surnuméraire de chromosomes, et que dans l’autre cellule fille il y ait un nombre moindre de chromosomes. Université 6 sur 23 Sorbonne Paris Nord  Biologie cellulaire Tutorat 06 – Régulation du cycle cellulaire Santé Bobigny II. LES KINASES CYCLINE-DEPENDANTES (CDK) B. MODE D’ACTION DES CYCLINES DEPENDANTES KINASES  Dans les années 1987-1990, le régulateur universel de l’entrée en mitose : le MPF, a été caractérisé.  Le MPF est une kinase cycline-dépendante (CDK) qui est associée à une cycline. Entre 1990 et 2000, d’autres cyclines-CDK ont été décrites chez l’Homme.  Sur cette douzaine de cyclines, 6 d’entre elles interviennent dans le contrôle direct du déroulement du cycle cellulaire.  Les CDK forment des complexes hétérodimériques avec les cyclines, c’est-à-dire qu’il va se former un complexe CDK-cycline constituant ainsi leur sous-unité régulatrice. Université 7 sur 23 Sorbonne Paris Nord  Biologie cellulaire Tutorat 06 – Régulation du cycle cellulaire Santé Bobigny II. LES KINASES CYCLINE-DÉPENDANTES (CDK) B. MODE D’ACTION DES KINASES CYCLINE-DÉPENDANTES (suite) ♦ Ces CDK s’associent avec une cycline pour former un complexe. ♦ La première à avoir été mise en évidence est la CDK1 associée à la cycline B, qui constitue le MPF, celui-ci ayant des rôles extrêmement variés. ♦ Les CDK ne deviennent fonctionnelles que lorsqu’elles sont associées à une cycline. ♦ Les cyclines ne sont pas présentes dans tout le cycle : elles apparaissent puis disparaissent brusquement à des moments précis du cycle, de façon périodique. C’est la disparition de ces cyclines qui fait disparaître leur activité, et donc qui permet les passages ou le contrôle du cycle cellulaire. ♦ Les CDK peuvent être sous forme activée ou désactivée, selon le fait qu’elles soient ou non associées à leurs cyclines. ♦ Il existe des activateurs et des inhibiteurs des CDK, qui interviennent. ♦ Les CDK sont des sérine-thréonine kinases. ♦ Ce sont des enzymes qui catalysent la phosphorylation de protéines cibles, c’est-à-dire qui vont agir sur leur substrat, jouant un rôle dans les évènements du cycle cellulaire, mais aussi dans la fragmentation de l’enveloppe nucléaire, la compaction des chromosomes, la réplication, l’avancement du cycle. Université 8 sur 23 Sorbonne Paris Nord  Biologie cellulaire Tutorat 06 – Régulation du cycle cellulaire Santé Bobigny II. LES KINASES CYCLINE-DÉPENDANTES (CDK) B. MODE D’ACTION DES KINASES CYCLINE-DÉPENDANTES (suite) ♦ Leur activité consiste à transférer un groupement phosphate de l’ATP sur une sérine ou une thréonine présente dans les protéines cibles, à condition que ces acides aminés soient dans une séquence d’acides aminés caractéristiques : les sérines et les thréonines sont toujours prises dans un certain environnement, qu’on appelle les séquences consensus, qui sont spécifiquement reconnues par l’enzyme.  Séquence consensus typique : SER-THR-PRO-X-ARG-LYS (sérine-thréonine-proline- acide aminé quelconque- arginine-lysine). ♦ Ces séquences consensus sont les sites de reconnaissance des sérine-thréonine, qui peuvent être phosphorylées, et permettre ainsi l’activation de ce substrat. ♦ Ce complexe cycline-CDK va agir par une phosphorylation des protéines : il existe grand nombre de mécanismes physiologiques cellulaires qui passent par des phénomènes de phosphorylation-déphosphorylation. ♦ Une fois que le substrat est phosphorylé, il va en résulter un changement de conformation de la protéine phosphorylée, ce qui va lui conférer de nouvelles propriétés : soit activation, soit inhibition, soit des changements de partenaires avec lesquels ces protéines phosphorylées interagissent. ♦ Les cyclines n’ont pas d’activité enzymatique, ce sont des protéines qui régulent l’activité enzymatique des CDK, de manière à ce qu’elles deviennent actives. ♦ Le cycle cellulaire est contrôlé par au moins 6 complexes cycline-CDK différents, qui interviennent à des moments précis du cycle cellulaire. ♦ Chaque CDK va agir sur des protéines cibles qui sont des substrats bien définis. ♦ Au cours du cycle cellulaire, ces 6 complexes cycline-CDK vont intervenir à des endroits différents. ♦ Ces complexes cycline-CDK vont assurer le bon déroulement du cycle cellulaire, permettant le passage d’une phase à l’autre du cycle ainsi que la réalisation des événements du cycle. Université 9 sur 23 Sorbonne Paris Nord  Biologie cellulaire Tutorat 06 – Régulation du cycle cellulaire Santé Bobigny II. LES KINASES CYCLINE-DÉPENDANTES C. COMPLEXES CYCLINS-CDK ♦ Le cas de la cycline D associée à la CDK 4 et de la cycline D associée à la CDK6, qui vont intervenir en phase G1. ♦ Ces deux associations cycline D – CDK4 et cycline D – CDK 6, vont Cycline D / CDK4 phosphoryler la protéine Rb (Retinoblastoma protein) et l'inactiver, ce qui a pour effet de libérer des facteurs de Cycline D / CDK 6 transcription EEF qui contrôlent l’expression de gènes indispensables pour la transition entre la phase G1 et la phase S. ♦ Cela permet d’intervenir sur la synthèse d’autres cyclines, c’est-à- dire sur la transcription de gènes codant pour d’autres cyclines notamment la cycline E et la cycline A, qui interviendront ultérieurement. = plus tard ♦ La cycline E associée à la CDK2 qui interviennent en G1-S et qui sont responsables du passage de la phase G1 à la phase S, en phosphorylant la protéine du rétinoblastome Rb. Cette Cycline E / CDK 2 intervention de la cycline E – CDK2 est très importante, car elle induit la duplication du centrosome, comme l’ont montré des expériences réalisées sur le génome. Université 10 sur 23 Sorbonne Paris Nord  Biologie cellulaire Tutorat 06 – Régulation du cycle cellulaire Santé Bobigny II. LES KINASES CYCLINE-DÉPENDANTES (CDK) C. COMPLEXES CYCLINS-CDK (suite) ♦ La cycline A associée à la CDK2, qui intervient pendant la phase S. ♦ Ce complexe va phosphoryler des substrats qui vont déclencher et Cycline A / CDK2 permettre d’entretenir la réplication de l’ADN, et l’inactivation d’un certain nombre de facteurs de transcription de la phase G1. ♦ Il va donc y avoir un arrêt de la transcription de facteurs qui intervenaient en phase G1. Ce complexe cycline A – CDK2 permet de déclencher et maintenir la réplication de l’ADN. ♦ Ce complexe a aussi été montré comme étant le facteur qui induit la duplication du centrosome (petit rappel : elle a lieu durant la phase S chez les mammifères), et qui va permettre ainsi l’arrêt de la dégradation de la cycline B, qui va ainsi pouvoir s’accumuler. Cycline B / CDK 1 ♦ La cycline B associée à la CDK1, constitue le MPF (Mitosis Promoting Factor) intervenant dans la transition entre la phase G2 et la phase M, qui va permettre par phosphorylation de nombreux substrats, de conduire à la progression de la mitose. II. LES KINASES CYCLINE-DÉPENDANTES (CDK) D. MECANISMES DE REGULATION DES KINASES CYCLINES-  L’activité des CDK est régulée. Elles sont présentes avant même d’intervenir.  Comment se fait-il alors qu’elles sont présentes, qu’elles vont intervenir ou non ? Comment leur activité enzymatique est régulée (inhibition, activation) ?  L’intervention des cyclines est importante dans ce dispositif, car les cyclines n’ont pas d’activité enzymatique, c’est au moment où elles se lient aux kinases qu’elles vont s’activer. Université 11 sur 23 Sorbonne Paris Nord  Biologie cellulaire Tutorat 06 – Régulation du cycle cellulaire Santé Bobigny II. LES KINASES CYCLINE-DÉPENDANTES (CDK) D. MÉCANISMES DE RÉGULATION DES KINASES CYCLINE DÉPENDANTES (suite) ♦ Le complexe cycline- CDK est donc contrôlé par le cycle de synthèse et de dégradation des cyclines qui leurs sont associés, et ceci tout au Premier mécanisme long du cycle cellulaire. de régulation des CDK ♦ Il y a donc des mécanismes qui sont susceptibles de synthétiser les cyclines au bon moment, et ainsi permettre l’activation du complexe et donc de l’activité enzymatique des CDK. ♦ Cela constitue le 1er mécanisme de régulation des CDK. Deuxième ♦ Il existe un certain nombre de protéines déphosphorylantes et de protéines phosphorylantes qui permettent de compléter le contrôle mécanisme de de l’activité de ces CDK. régulation des CDK ♦ Nous verrons que ces phénomènes de phosphorylation peuvent être soit activateurs, soit inhibiteurs de l’activité. ♦ Les CDKi sont des protéines susceptibles d’inhiber l’activité des CDK, qui vont donc les réguler de façon uniquement négative. Troisième mécanisme de ♦ Ces CDK peuvent être activées par des phosphatases (comme la régulation des phosphatase cdc25) ou par des kinases. CDK ♦ Donc en plus de leur activation par l’association avec les cyclines, les CDK peuvent être « encore plus » activées par des phosphatases (cdc25) ou par des kinases. Université 12 sur 23 Sorbonne Paris Nord  Biologie cellulaire Tutorat 06 – Régulation du cycle cellulaire Santé Bobigny II. LES KINASES CYCLINE-DÉPENDANTES (CDK) D. MÉCANISMES DE RÉGULATION DES KINASES CYCLINE DÉPENDANTES (suite) ♦ Les cyclines-CDK peuvent être soit activés, soit inhibés. ♦ C’est le cas des protéines inhibitrices CDKi, comme les protéines p16, p21, p27 qui vont agir sur les complexes cyclines-CDK. ♦ Il y a aussi des protéines à activité enzymatiques susceptibles d’inhiber ces complexes : les kinases, notamment la kinase Wee1 qui agit sur la CDK1 en phosphorylant les sites de tyrosine et de thréonine spécifiquement situés en 15ème position pour la tyrosine et en 14ème position pour la thréonine. ♦ L’activation des CDK se fait par une modification de sa structure tridimensionnelle. La molécule va alors avoir une activité enzymatique. ♦ Toutes les CDK ont une structure tridimensionnelle similaire caractérisée par l’existence de 2 sites (deux poches) de fixation : un site pour la fixation de la protéine cible, c’est-à-dire les substrats spécifiques des complexes cycline-CDK sur lesquels il va y avoir une action, et un autre site pour la fixation de l’ATP. ♦ D’autre part, les acides aminés tels que thréonine ou tyrosine, qui peuvent être modifiés, vont jouer un rôle particulier.  Pour pouvoir avoir une certaine action, les CDK doivent avoir une certaine conformation : les deux poches de fixation doivent être accessibles. Université 13 sur 23 Sorbonne Paris Nord  Biologie cellulaire Tutorat 06 – Régulation du cycle cellulaire Santé Bobigny II. LES KINASES CYCLINE-DÉPENDANTES (CDK) D. MÉCANISMES DE RÉGULATION DES KINASES CYCLINE DÉPENDANTES (suite)  Les activateurs ou les inhibiteurs vont induire des changements de conformation des sites pour le substrat et pour l’ATP.  C’est ce changement de conformation qui va permettre des modifications : soit d’activation, soit d’inhibition.  Lorsque la CDKi, comme par exemple la protéine p21, va se lier à la cycline, elle va se mettre de telle sorte qu’elle va bloquer le site de fixation de l’ATP.  Tandis que la protéine p16 va se lier à la CDK et empêche la fixation de l’ATP.  Les CDKi interviennent en se fixant sur la CDK de façon différente et ainsi aboutissant soit à l’activation soit à l’inhibition. On peut globalement retenir 3 mécanismes qui sont extrêmement importants et qui interviennent dans la régulation de l’activité des CDK : Les cyclines vont se lier aux kinases du cycle pour les rendre potentiellement actives. L’activité de ces complexes cyclines-CDK peut être inhibée par phosphorylation d’acides aminés : la phosphorylation de la thréonine, tyrosine. L’activité de ces complexes peut être inhibée par des protéines inhibitrices comme les CDKi (rôle important lors de la transition de la phase G1 et S). Université 14 sur 23 Sorbonne Paris Nord  Biologie cellulaire Tutorat 06 – Régulation du cycle cellulaire Santé Bobigny III. MÉCANISMES DE SURVEILLANCE DU CYCLE CELLULAIRE  Il existe des mécanismes de surveillance qui contrôlent les 3 points majeurs du cycle cellulaire.  Les trois points majeurs du cycle cellulaire : les transitions entre la phase G1 et la phase S, entre la phase G2 et la phase M ; et enfin entre la métaphase et l’anaphase.  En plus des CDK, il existe toute une série de systèmes et de molécules qui permettent le passage d’une phase à l’autre, permettant ainsi l'enchaînement les unes après les autres des différentes phases du cycle.  Ceci nécessite des mécanismes de surveillance qui sont capables de potentiellement détecter des problèmes.  En cas de problèmes, ils assurent l’arrêt du cycle cellulaire, afin que ces anomalies ne se propagent pas tout au long de la vie de la cellule.  Ces mécanismes interviennent lorsqu’il y a des lésions de l’ADN, des anomalies de la réplication (mécanisme de surveillance durant la phase S), et contrôlent l’alignement des chromosomes sur la plaque métaphasique ainsi que la bonne répartition des chromatides sœurs, la perte de chromosomes et de morceaux d’ADN, etc.  Il y a ainsi un contrôle de la qualité du cycle cellulaire, et en cas de problème, il y a réparation.  Si les réparations ne sont pas possibles, cela va conduire à des phénomènes de mort cellulaire de sorte que la cellule ne transmette pas ses anomalies.  Sans ces contrôles s’il n’y avait que les CDK, les anomalies se propageraient, ce qui conduirait à des pertes de chromosomes, d’ADN etc.… d’où la présence des mécanismes de surveillance. III. MÉCANISMES DE SURVEILLANCE DU CYCLE CELLULAIRE TROIS MÉCANISMES DE SURVEILLANCE IMPORTANTS Trois mécanismes de surveillance importants : La transition G1-S qu’on appelle le DDCP La transition G2-M qu’on appelle le RCP La transition Métaphase-Anaphase qu’on appelle le MCP DDCP : DNA Damage Checkpoint / RCP : Replication Checkpoint / MCP : Mitotic Checkpoint Tous ces mécanismes qui vont être mis en jeu, sont des mécanismes extrêmement élaborés, qui vont tous dans le même sens : le principe est de veiller à ce que les cellules filles héritent exactement du même génome à la fin du cycle cellulaire. Ces mécanismes ont pour mission principale de s’assurer que les cellules filles sont identiques d’un point de vue génétique à la cellule mère. Cela permet ainsi de maintenir l’intégrité de l’ADN. Université 15 sur 23 Sorbonne Paris Nord  Biologie cellulaire Tutorat 06 – Régulation du cycle cellulaire Santé Bobigny III. MÉCANISMES DE SURVEILLANCE DU CYCLE CELLULAIRE TROIS MÉCANISMES DE SURVEILLANCE IMPORTANTS (suite) ♦ La surveillance de l’intégrité de l’ADN qu’on appelle le DDCP n’est pas réalisée lors d’un endroit unique du cycle, mais va s’effectuer tout au long de l'interface. En effet, pendant toute la phase G1, la phase S, la Point de phase G2, ce système de surveillance vérifie que l’ADN n’est pas surveillance de endommagé. type DDCP : ♦ S'il y a des lésions de l’ADN, alors le cycle cellulaire s’arrête pour permettre à l’ADN d’être réparé. ♦ Si la lésion est en S, alors il n’y aura pas de transition G1-S ; si la lésion est en G2, alors il n’y aura pas de transition G2-M, la cellule ne rentrera alors pas en mitose. ♦ Il s’agit d’un mécanisme de surveillance qui surveille l’accomplissement Point de de la réplication de l’ADN. surveillance de ♦ C’est un mécanisme qui intervient tout au long de la phase S et tout type RCP : au long de la phase G2. ♦ Tant que la réplication n’est pas correctement terminée ou qu’il y a encore des défauts de réplication, il n’y aura pas de passage en mitose. ♦ Il s’agit de la surveillance de l’attachement correct des chromosomes sur la plaque métaphasique au moment de la métaphase. Point de ♦ Cela s’exerce précisément à 1 seul endroit dans le cycle cellulaire, au cours de la métaphase jusqu'à ce que le dernier chromosome ait atteint la surveillance de plaque métaphasique. type MCP : ♦ Il y a à ce moment, un point de contrôle qui vérifie que les chromosomes sont bien attachés sur la plaque métaphasique, que les chromatides sont bien répartis de part et d’autre de la plaque métaphasique, de sorte que la transition métaphase-anaphase puisse avoir lieu, permettant un équilibre dans la répartition des chromosomes dans chacune des 2 cellules filles. Université 16 sur 23 Sorbonne Paris Nord  Biologie cellulaire Tutorat 06 – Régulation du cycle cellulaire Santé Bobigny III. MÉCANISMES DE SURVEILLANCE DU CYCLE CELLULAIRE TROIS MÉCANISMES DE SURVEILLANCE IMPORTANTS (suite) ♦ Ces mécanismes de surveillance font intervenir des molécules différentes des cyclines-CDK. ♦ Parmi ces molécules, on retrouve les kinases, capables de se lier à l’ADN. ♦ Il a été mis en évidence un certain nombre de pathologies avec des patients chez lesquels cette kinase qui se lie à l’ADN est mutée, ce qui fait que les systèmes de surveillance de contrôle du site sont défaillants. ♦ Si l’ADN est endommagé, il y a blocage de transition entre la phase G1 et la phase S, par un système qui est le DDCP. ♦ Ces mécanismes aboutissent à un certain nombre de phénomènes de Point de dégradation, ce qui permet aux mécanismes de réparation surveillance d’intervenir. de type DDCP : ♦ Par exemple, l’intervention de la protéine p53 qui induit la transcription d’enzymes qui induisent la réparation de l’ADN. ♦ Dans un certain nombre de cancers, la protéine p53 est mutée, elle ne permet donc plus la transcription d’enzymes de réparation de l’ADN, et donc l’ADN reste lésé. ♦ Ce sont des mécanismes qui assurent le passage en mitose. ♦ S’il y a blocage de la transition entre la phase G2 et la phase M : il y a contrôle avant le passage en phase M. ♦ Il n’y a pas de passage en mitose tant que les lésions de l’ADN ne sont Point de pas réparées, et tant que les lésions la taille de la cellule n’a pas été surveillance contrôlée. de type RCP : Phosphorylation et ♦ Plusieurs types de réponses peuvent intervenir, notamment la séquestration de phosphorylation de la protéine cdc25, qui entraîne sa séquestration cdc25 : En réponse à un dommage, cdc25 est dans le cytoplasme et qui va l’éloigner de son substrat qui est la CDK 1. phosphorylée et séquestrée dans le cytoplasme, ce qui l’ ♦ Dans ce cas-là, il va y avoir un complexe cycline B – CDK1 qui va garder ses empêche d’atteindre son substrat, CDK1 phosphorylations inhibitrices et qui reste donc bloqué. (présente dans le noyau). ♦ Si l’ADN est lésé encore ou si la réplication n’est pas achevée, Inhibition du complexe cycline B-CDK1 : Sans l’activation de plusieurs voies inhibitrices vont permettre d’empêcher l'action de cdc25, CDK1 l’entrée en mitose. reste dans un état phosphorylé inhibiteur. Le complexe cycline B-CDK1 ne peut donc pas être activé et conserve ses phosphorylations inhibitrices. Université 17 sur 23 Sorbonne Paris Nord  Biologie cellulaire Tutorat 06 – Régulation du cycle cellulaire Santé Bobigny III. MÉCANISMES DE SURVEILLANCE DU CYCLE CELLULAIRE TROIS MÉCANISMES DE SURVEILLANCE IMPORTANTS (suite) ♦ C’est un mécanisme fréquemment observé dans les cellules qui permet de vérifier que tous les chromosomes sont bien alignés sur la plaque métaphasique avant le déclenchement de l’anaphase. ♦ Normalement à l’anaphase, les chromatides sœurs se séparent par l’intervention de la séparase, qui est une protéine capable de détruire les protéines de liaison des deux chromatides sœurs appelées cohésines. Point de surveillance ♦ Tant que tous les chromosomes métaphasiques ne sont pas correctement de type MCP : attachés au fuseau par leurs kinétochores, le système est bloqué. Il suffit qu’un seul chromosome ne soit pas attaché pour bloquer le système. Il y a alors la séparase qui est inhibée par la sécurine. ♦ C’est lors de la destruction de la sécurine qu’il va y avoir une levée d’inhibition de la séparase pouvant conduire à la dégradation des molécules de cohésines. ♦ Cette destruction de la sécurine est sous la dépendance de la molécule APC (Anaphase Promoting Complex). Tant que tous les chromosomes ne sont pas correctement attachés au fuseau mitotique par leurs kinétochores, la séparase est maintenue inhibée par une protéine appelée sécurine. La sécurine sert à inhiber la séparase pour empêcher la séparation prématurée des chromatides sœurs pendant la division cellulaire. Elle agit comme un verrou de sécurité, bloquant la séparase tant que tous les chromosomes ne sont pas correctement alignés et attachés au fuseau mitotique, garantissant ainsi une répartition correcte de l'ADN entre les cellules filles. Université 18 sur 23 Sorbonne Paris Nord  Biologie cellulaire Tutorat 06 – Régulation du cycle cellulaire Santé Bobigny III. MÉCANISMES DE SURVEILLANCE DU CYCLE CELLULAIRE TROIS MÉCANISMES DE SURVEILLANCE IMPORTANTS (suite) ♦ L’APC est une protéine ubiquitine ligase, qui est active lorsqu’elle est associée à une protéine Cdc20, mais qui reste inhibée par la protéine Mad2. ♦ Il y a donc un système de maintien de l’inhibition par une protéine Mad2. ♦ Tant que les chromosomes ne sont pas tous correctement attachés, la protéine Mad2 empêche la désinhibition/activation de la protéine séparase. ♦ Tant que le kinétochore n’est pas correctement attaché au fuseau, un signal inhibiteur est envoyé --> blocage de l’activation de l’APC/Cdc20. Ce signal passe par la protéine Mad2. ♦ Tant qu’il n’y a encore qu’un seul kinétochore mal attaché, ceci a pour conséquence la liaison de Mad2 sur le complexe APC/Cdc20, et ainsi son inhibition. ♦ Une fois que tous les kinétochores sont attachés, Mad2 n’est plus activée, elle ne peut plus inhiber le complexe qui devient donc actif, ce qui permet la destruction de la sécurine, et donc la séparation des chromatides par la dégradation de la cohésine. Point de ♦ Ce point de contrôle est un point fondamental, puisque tant qu’il surveillance reste des chromosomes non attachés au fuseau, tout ceci empêche la séparation des chromatides sœurs et donc l’anaphase ne peut de type MCP pas débuter. (suite) : ♦ C’est donc un moment un peu brutal dans la cellule. Une fois que tous les chromosomes sont sur la plaque métaphasique, il y a donc ce mécanisme qui va activer la séparase, qui va dégrader les cohésines, et à ce moment-là, les chromatides vont pouvoir rejoindre chacun des 2 pôles de la cellule. Université 19 sur 23 Sorbonne Paris Nord  Biologie cellulaire Tutorat 06 – Régulation du cycle cellulaire Santé Bobigny IV. LA MITOSE ♦ La mitose est la transition entre la phase G2 et la phase M. ♦ Elle est sous le contrôle du complexe cycline B – CDK 1, c’est-à-dire le MPF. ♦ On observe que la cycline B est synthétisée pendant une longue période du cycle. ♦ C’est lorsqu’il y a suffisamment de cyclines B, qu’elles s’associent aux CDK 1. Les complexes se forment progressivement. ♦ La cycline B s’accumule pendant toute la phase S et G2, ce qui conduit à une augmentation de façon graduelle du complexe, au fur et à mesure que la cellule va s’approcher de la mitose. ♦ La CDK1 va alors être phosphorylée sur la thréonine 161 par un assemblage cycline H/CDK7. ♦ Tout ceci restant inactif parce qu'on a toujours nos deux acides aminés : la tyrosine 15 et la thréonine 14, qui sont toujours phosphorylés (par la protéine Wee1). ♦ Quand la cellule va atteindre la fin de la phase G2, donc toujours un moment avant l’entrée en mitose, la cellule contient un abondant stock de cycline B – CDK1, qu’on appelle un stock de pré-MPF inactif mais qui est prêt à agir dès qu’il va y avoir la déphosphorylation de ces groupes. ♦ Ce qui va permettre l’activation du MPF, qui va donc pouvoir agir sur l’entrée en mitose. ♦ Ce pré-MPF est en fait un assemblage de cycline B – CDK 1, avec la CDK1 qui est phosphorylée sur sa thréonine 161, thréonine 14 et sur sa tyrosine 15. ♦ C’est un système particulier, car la cycline B est synthétisée de façon permanente, mais à un certain moment, elle va être dégradée. C’est notamment ce qui va permettre la sortie de la mitose. Université 20 sur 23 Sorbonne Paris Nord  Biologie cellulaire Tutorat 06 – Régulation du cycle cellulaire Santé Bobigny IV. LA MITOSE (suite) ♦ Le MPF qui est le facteur permettant l’entrée en mitose est aussi le facteur qui va permettre la sortie en mitose, car à un moment donné de la mitose, la cycline B va être dégradée. ♦ En étant dégradée, elle va inactiver la CDK et à ce moment-là, comme c’était le MPF qui permettait le maintien de la poursuite de la mitose, la dégradation de la cycline B va provoquer la sortie de mitose et le passage de la cellule de la phase M à la phase G1 des 2 cellules filles. Parmi les mécanismes qui font entrer la cellule en mitose, il y a l’effet du MPF, qui va agir sur de très nombreuses protéines qui sont : ▪ Les condensines Protéines cibles ▪ Les histones (notamment H1 et H3 jouant sur la condensation de l’ADN) du MPF ▪ Les lamines (désorganisation de l’enveloppe nucléaire) ▪ Les MAP (réorganisation du cytosquelette) ▪ Les APC (dégradation de la sécurine) V. LA PROTÉINE P53 « GARDIEN DU GÉNOME » La protéine p53 est surnommée le « gardien du génome », car c’est une protéine de surveillance de l’intégrité de l’ADN. Elle est exprimée tout au long du cycle cellulaire, mais avec un taux d’expression qui reste relativement faible, du fait de sa dégradation rapide. Dans la quantité de protéines que l’on peut trouver dans une cellule, il y a plusieurs paramètres tels que la vitesse de synthèse, sa durée de vie, et sa vitesse de dégradation. C’est une protéine nucléaire qui a un certain nombre de fonctions et qui agit notamment comme facteurs de transcription, c’est aussi une endonucléase, qui participe à la réparation de l’ADN. Si l’ADN est lésé ou s’il y a des problèmes de réplication qui ne sont pas terminés, il va y avoir un certain nombre d’activation de plusieurs voies inhibitrices du complexe cycline B/CDK1, donc du MPF, qui permettent d’empêcher l’entrée en mitose. Université 21 sur 23 Sorbonne Paris Nord  Biologie cellulaire Tutorat 06 – Régulation du cycle cellulaire Santé Bobigny VI. LA PHASE G0 ♦ Parmi les différentes phases du cycle cellulaire, il y a une phase supplémentaire appelée phase G0, qui est une phase de quiescence dans laquelle peuvent entrer les cellules. ♦ A la fin de la mitose, lorsque les cellules quittent la mitose, elles peuvent entrer en phase G0, qui est une phase d’attente ou de non-division. ♦ Cette phase G0 peut durer plusieurs semaines. ♦ C’est une phase pendant laquelle les cellules ne se divisent plus. ♦ Par exemple, les neurones différenciés sont des cellules qui ne se divisent plus et donc sont en phase G0. ♦ C’est le cas chez un organisme adulte pour un très grand nombre de cellules, il n’y a guère que des cellules spécialisées comme les cellules souches hématopoïétiques, ou les cellules souches de l’épithélium intestinal qui elles, gardent une capacité de prolifération active, sinon les autres cellules sont dans des phases de prolifération très réduites, voire même en G0. ♦ Les cellules qui sont en phase G0 sont au repos, c’est-à-dire qu’il n’y a pas de réplication, pas de mitose. ♦ Leur cytoplasme ne contient pas de cycline, car il existe un facteur qui est un facteur de transcription E2F qui est maintenu inactif car il est lié à la protéine Rb et donc ça maintient un système qui fait que la cellule ne va pas poursuivre en G1. ♦ La cellule reste ainsi en G0, en dehors du cycle cellulaire. ♦ Si ces cellules en G0 sont stimulées notamment par des facteurs mitogéniques qui viennent de l'extérieur, elles peuvent retourner dans le cycle cellulaire à l’endroit où elles l’avaient quitté. ♦ Ces facteurs mitogéniques venant de l’extérieur, sont reconnus par des récepteurs sur les cellules, ce qui va induire une transmission d’informations à l’intérieur de la cellule, qui va provoquer le retour de la cellule en G1. La cellule synthétise alors tous les facteurs nécessaires, ce qui permet de nouveau la phase S, G2 etc... pour permettre la reprise du cycle cellulaire. Université 22 sur 23 Sorbonne Paris Nord  Biologie cellulaire Tutorat 06 – Régulation du cycle cellulaire Santé Bobigny VII. GÈNES « SUPPRESSEURS DE TUMEURS » ♦ Par des analyses moléculaires de tumeurs humaines, il a été montré que les protéines régulatrices du cycle cellulaire sont fréquemment mutées. ♦ On peut observer que des surexpressions de protéines qui normalement sont des protéines stimulatrices de la prolifération, telles que les cyclines, par exemple la cycline D dans le cas du cancer du sein, conduisent à l’apparition de tumeurs. Il peut s’agir aussi de perte d’expression, d’inactivation de protéines, qui normalement sont des freins du cycle cellulaire (mutations des CDKi, de Rb). ♦ Parmi tous ces gènes mutés dans les cancers, se trouvent notamment des gènes « suppresseurs de tumeurs », dont le rôle normal dans une cellule saine, est de freiner la prolifération des cellules lorsqu’elles sont mutées. ♦ L’inhibition ou l’absence de ces protéines conduit à la prolifération incontrôlable observée dans certaines tumeurs. ♦ C’est le cas de la protéine du rétinoblastome Rb, de p53, de certaines protéines virales comme les protéines de type papillomavirus ou sv40. ♦ La protéine p53 freine la prolifération en stimulant la synthèse d’un inhibiteur qui est la protéine p21. ♦ Si p53 est non fonctionnelle, c’est-à-dire mutée, la protéine p21 est absente et le cycle cellulaire n’est pas arrêté par inhibition du complexe cycline-CDK et donc la prolifération s’effectue sans frein. ♦ Le nombre de cellules augmente donc, car sans p53, les cellules présentant des anomalies qui ne peuvent pas être réparées ne sont pas dirigées vers un système de mort cellulaire par apoptose. La protéine p53 Université 23 sur 23 Sorbonne Paris Nord UE BIOLOGIE – SOCLE COMMUN Biologie cellulaire 03- Membrane plasmique 2/2 ERRATUM  Biologie cellulaire Tutorat 03 -Membrane plasmique 2/2 Santé Bobigny PAGE 5 : A. Les lipides membranaires Les phospholipides Généralités  Les phospholipides sont des diacylphosphoglycérides, les plus abondantsdans la membrane (environ 55% des lipides membranaires).  Ce sont des molécules résultantes d’une réaction chimique : l’estérification du Origine glycérol par deux acides gras d’une part et d’un acidephosphorique d’autre part.  Une tête polaire hydrophile qui peut regrouper d’autres substituants : la choline, une molécule de phosphate et une molécule de glycérol. Composition  Deux chaînes aliphatiques (chaînes hydrocarbonées saturées ou insaturées) apolaires pouvant contenir 14 à 24 atomes de carbones selon les AG contenus dans les phospholipides.  Plusieurs types de phopholipides forment une famille (le cas le plus représenté : la phosphatidylcholine). Le type de phospholipide est déterminé selon le substituant qui sera greffé au niveau du phosphate. Différents types de phospholipides Université 2 Sorbonne Paris Nord  Biologie cellulaire Tutorat 03 -Membrane plasmique 2/2 Santé Bobigny PAGE 5 : Les lipides membranaires Les glycolipides Synonyme Diacylglycoglycérides. Origine Ils proviennent de l’estérification du glycérol par deux acides gras. Sur le C3, des carbohydrates comme le galactose peuvent s’y fixer. Localisation Ils sont très présents dans le monde végétal et moins dans le monde animal. PAGE 8 : B. Les protéines membranaires Les protéines intrinsèques  Elles peuvent être de deux groupes :  Traverser la totalité de la membrane : protéines transmembranaires  Ancrées sur un des deux feuillets de la membrane (feuillet interne ou externe)  Elles sont pour la grande majorité des protéines membranaires (plus de 70% des protéines contenues dans les membranes)  Elles sont fortement liées à la membrane, leur extraction est difficile  Elles nécessitent un détergent comme le TRITON x100 ou le SDS (dissolvent les membranes).  Elles peuvent être détachées par des solvants organiques entraînant la destruction de labicouche lipidique. Université 3 Sorbonne Paris Nord  Biologie cellulaire Tutorat 03 -Membrane plasmique 2/2 Santé Bobigny B. Les protéines membranaires Les protéines intrinsèques (suite)  Selon le nombre de zone hydrophobes et d’autres facteurs (séquences signal), les protéines transmembranaires peuvent émerger d’une seule face de la membrane (=protéines monotopiques), traverser la couche une fois (=protéines bitopiques) ou traverser la couches plusieurs fois (= protéines polytopiques).  Les protéines bitopiques traversant la couche une fois agissent souvent comme des récepteurs catalytiques (récepteur à tyrosine kinase).  Les protéines polytopiques traversant la couche plusieurs fois ont des parties installées dans la membrane. Le nombre de passage varie de deux à plus d’une douzaine.  Les protéines sont ainsi classées selon le nombre de passage et selon l’orientation de leurs extrémités dans les membranes. Pour les protéines bitopiques : Protéines  Extrémité NH2 terminale dirigée vers l’extracellulaire : la protéine transmembranaires intrinsèque est de type I.  Extrémité NH2 terminale dirigée vers le cytoplasme : la protéine intrinsèque est de type II.  Une protéine monotopique dont une seule face émerge de la bicouche, traverse la membrane une seule fois et l’ancrage se fait par la région en hélice alpha incluse dans les feuillets (ex : cytochrome B).  L’ancrage de ces protéines se fait par un lipide, dû à une liaison ester,la protéine est dans une position « superficielle » elle n’est pas incluse Protéines ancrées dans la membrane mais c’est une protéine intrinsèque qui nécessiteun détergent pour être détachée.  Les protéines périphériques ancrées par une ancre GPI ou une chaine hydrocarbonée sont considérées comme intrinsèques d’après M. Oudar sur le forum. Protéines  La liaison se fait par l’intermédiaire d’un glycophosphatidylinositol (ancre GPI), périphériques toujours dans le feuillet externe par une liaison covalente. Son extraction nécessite l’utilisation d’un détergent.  L’ancrage pour les protéines périphériques peut se faire :  Par une longue chaîne hydrocarbonée qui s’encastrent dans le feuillet interne pour les proteines cytosoliques ( la tyrosine kinase SCR ou la petite protéine G ras ) Université 4 Sorbonne Paris Nord  Biologie cellulaire Tutorat 03 -Membrane plasmique 2/2 Santé Bobigny PAGE 9 : Les protéines membranaires Les protéines extrinsèques  Elles sont en dehors de la bicouche, deux localisations possibles :  La face externe de la membrane  La face interne de la membrane  Elles représentent environ 1/3 des protéines membranaires.  Elles se lient à la double couche lipidique par des liaisons faibles (en général de type électrostatiques) jamais par des liaisons covalentes, au groupement polaire des lipides ou à des régions hydrophiles de protéines qui sont elles-mêmes des protéines intrinsèques membranaires.  Presque toutes les protéines extrinsèques externes portent du côté extérieur des groupements ou des chaînes polysaccharidiques plus ou moins ramifiées (ce sont des protéines glycosylées) tandis que les protéines du côté cytologique ne sont jamais glycosylées, relativement courtes et peu ramifiées.  Les sucres qui constituent la partie la plus externe sont appelés glycocalyx (cell caot). Ces sucres sont directement en liaison avec le milieu extracellulaire. Ce glycocalyx est plus ou moins épais selon les cellules.  Exemple : 1,5nm pour un globule rouge, 200nm pour un entérocyte  L’ancrage pour les protéines périphériques peut se faire :  Par une longue chaîne hydrocarbonée qui s’encastrent dans le feuillet interne pour les protéines cytosoliques (la tyrosine kinase SRC ou petite protéines G ras). Les protéines membranaires Rôle des protéines  Transports transmembranaires  Récepteurs (informations venant de l’extérieur)  Reconnaissance cellulaire  Inhibition de contact  Adhérence cellulaire  Activités enzymatiques  Rôles structuraux  Ces protéines ont la capacité de fixer un certain nombre de substances diverses comme des substances médicamenteuses, des virus ou des toxines.  Les sucres représentent 5-10% du poids sec de la membrane et peuvent être mis en évidence par des techniques comme l’acide périodique-schiff = APS ou encore les lectines qui sont capables de reconnaitre les substances glucidiques de façon spécifique.  Ces sucres sont toujours liés à des protéines ou à des lipides dans la membrane (sucres abondants dans les protéoglycanes). Université 5 Sorbonne Paris Nord  Biologie cellulaire Tutorat 03 -Membrane plasmique 2/2 Santé Bobigny PAGE 11 : II. Structure de la membrane Structure asymétrique  La bicouche lipidique est asymétrique, ceci est dû à la répartition des lipides entre les deuxfeuillets qui est elle-même asymétrique.  Les sphingolipides, phosphatidylcholines et glycolipides sont plus abondants dans le feuilletexterne.  Les phosphatidyléthanolamines, phosphatidylsérines sont les plus abondants dans le feuilletinterne.  Cependant, cette asymétrie est fondamentale et nécessaire à de nombreux processus biologiques dont la PKC (phosphokinase C), qui utilise les phospholipides pour transformer un certain nombre d’informations extracellulaires en signaux intracellulaires.  Les lipides ne sont pas fixes, ils peuvent passer d’une couche à l’autre par un phénomène de diffusion transversale.  Flip-flop (phénomène rare)  Il existe des liaisons S-S (souffre) dites liaisons disulfures, elles se font entre les résidus cystéines des protéines situées dans le domaine extracellulaire de celle-ci. Cela est dû au fait que l’environnement est réducteur dans le cytosol ce qui empêche la formation de ponts disulfures.  La position des protéines est définitive à la fin de leurs synthèses PAGE 13 : II. Structure de la membrane Mouvement des lipides  Les mouvements de protéines d’une couche à l’autre sont inexistants mais les déplacements des molécules au sein d’un même feuillet sont fréquents et sont à l’origine de la propriété essentielle de la membrane : sa fluidité, elle-même modulable selon les interactions avec l’extérieur.  Cette fluidité contrôlée permet le déplacement des lipides :  De manière isolée  En groupe au sein de compartiments membranaire nommés DIG = Detergent Insoluble Glycolip enriched microdomain  Les DIG ( ou RAFT en français) servent de plateforme pour la fixation d’un certain nombre de protéines et peuvent se réunir pour former des domaines plus étendus, formés principalement de lipides en phase gel, et entouré de régions non DIG, elles mêmes plutôt en phase fluide. Ces micro-compartiments sont principalement constitués de sphingolipides.  A l’intérieur des membranes, il peut y avoir des mouvements de lipides et de protéines.  Les lipides peuvent diffuser :  Transversalement (d’un feuillet à l’autre)  Latéralement (au sein du même feuillet)  La vitesse de déplacement des phospholipides est de l’ordre de 1 micromètre par seconde latéralement (dépend de la longueur des chaînes aliphatiques, plus elles sont courtes et insaturées, plus le mouvement sera rapide, qui dépend aussi du sens de déplacement).  Il faut 100 fois plus de temps pour un déplacement latéral que pour un déplacement transversal. Ce déplacement dépend de protéines spécialisées : les flippases qui consomment de l’énergie sous forme d’ATP. Université 6 Sorbonne Paris Nord  Biologie cellulaire Tutorat 03 -Membrane plasmique 2/2 Santé Bobigny PAGE 16 : Structure membranaire Rotation des lipides et des protéines  Les protéines et les lipides peuvent réaliser un mouvement de rotation au sein d’un feuillet de mouvement des protéines sont fréquents dans la membrane plasmique cependant, ils peuvent être limités par de nombreux facteurs.  Certaines protéines membranaires sont capables de s’auto-associer en formant des complexes multiprotéiques de tailles très importantes(0,1 à 1 µm²) constituant des domaines dits domaines spécialisésde la membrane.  Exemple : l’halobacterium halobium (bactérie) chez laquelle il existe 100 000 copies d’une même protéine, la bacterio rhodipsine, qui s’associent pour former un domaine particulier de la membrane qu’on appelle la membrane pourpre. L’ensemble, forme une surface de l’ordre du micromètre2 est incapable de diffusion.  Pour jouer sur cette mobilité des protéines, il existe des interactions entre :  Protéines membranaires et cytosquelette  Protéines membranaires et matrice extracellulaire  La présence de jonctions intercellulaires est à l’origine de la limitation du mouvement desprotéines au sein de la membrane plasmique.  Tous ces mouvements de molécules et leurs limitations sont à l’origine de la notion de domaines ou de compartiments membranaires.  La membrane plasmique est divisée en différents compartiments ou sous-compartiments  En général les protéines sont capables de se déplacer librement à l’intérieur d’un même compartiment et aussi d’un compartiment à un autre. Université 7 Sorbonne Paris Nord  UE BIOLOGIE- SOCLE COMMUN Biologie cellulaire 06- Domaines membranaires ERRATUM Biologie Cellulaire Tutorat 06- Domaine membranaires Santé Bobigny