Régulation du cycle cellulaire

FICHE REGULATION DU CYCLE CELLULAIRE

I - INTRODUCTION GENERALE

→ Cycle cellulaire et transitions vers d’autres états de la vie cellulaire

Le concept du cycle cellulaire :

• Mécanisme de reproduction cellulaire.
• La cellule se duplique.
• Le mot cycle nous viens du grec « kyklos » qui signifie circule.
• Un cycle est un événement qui se répète.
• Les cellules vivantes se dupliquent elles-mêmes après un cycle cellulaire.
• Mais le cycle cellulaire n’est pas une répétition simple parce qu’il implique une duplication de la cellule et de son contenu suivi d’une division cellulaire.
• On trouve des divisions binaires généralement et des divisions par bourgeonnement chez certaines levures.
• Pour produire 2 cellules filles, l’ADN doit être correctement répliqués.
• Les chromosomes dupliqués doivent ségrégué dans 2 cellules filles différentes de façon à ce que chacune reçoive 1 copie entière du matériel génétique.

A - Watson et Crick → double hélice d’ADN.

B – Ségrégation des chromosomes.

C – Une cellule est divisée en deux cellules filles (cytokinèse).

→ Procaryotes vs eucaryotes : des spécificités propres (cf. les vieux cours).

1- Les différentes phases et les événements du cycle cellulaire

Durant deux de ces phases (S et M), les cellules exécutent des événements fondamentaux du cycle :

• S : (6-8h) Réplication de l’ADN et synthèse des histones.
• M: (1h) Mitose (partage égal). Condensation de l’ADN, individualisation des chromosomes et partages des chromosomes entre les cellules filles.

Les deux autres phases du cycle (G1 & G2) sont des intervalles :

• G1 : (=Gap) (5-10h) → la cellule effectue sa croissance, intègre des signaux mitogènes ou anti-mitogènes, et se prépare à la phase S. → transcription des ARN, synthèse protéique, accroissement de la taille cellulaire.
• G2 : (4-5h) phase intermédiaire entre S et M (vie). Synthèse des protéines de la mitose (ex tubuline → fuseaux mitotiques).
• G0 : → Quiescence, la cellule est en phase de vie permanente. Certaines cellules peuvent revenir au cycle cellulaire.
• 1 cycle = 24h en moyenne pour les cellules eucaryotes, 3h pour les levures, 20 min pour l’embryon.
• Division = 5 % du cycle. (95 % = interphase).

Méthode d’étude du cycle cellulaire :

• Observation directe : cellules en phase M au MO.
• Incorporation de thymidine marquée au 3H à l’ADN, si cellule vivante.
• Incorporation de BrdU remplace T dans ADN, même si cellule morte, et marquage plus ou moins important en fonction de la quantité d’ADN nucléaire.
• PCNA (anticorps spécifique). Utilisé dans le cadre de cancers dans les hôpitaux.
• Cytométrie de Flux (FACS) → visualisation des différentes phases du cycle.

→ Répartition dans le cycle du nombre de cellule (quantification de l’ADN et des cellules).

→ Utilisation de l’iodure de propidium qui marque l’ADN (quantité de cellules et quantité d’ADN dans chacune des phases)

NB : Technique très utilisée en médecine pour les pathologies mais aussi dans le végétal.

Les fluorescences utilisées :

• Les perméants → marquage des cellules non fixés (DAPI).
• Les imperméants → marquage de cellules fixées, identification des cellules mortes (iodure de propidium).

Exemple : Analyse du cycle cellulaire avec l’Acridine Orange (laser 488 nm)

→ Discrimination des cellules en G0 par rapport aux cellules en G1. (Cellules avec un faible contenu en ARN sont discriminée = G0)

(Cf. le ivre « Cycle cellulaire et Cytométrie en Flux »)

2- La régulation du cycle cellulaire

• Pour assurer l’ordre du cycle cellulaire et l’obtention de 2 cellules filles rigoureusement identiques, la cellule dispose de système de régulation hautement perfectionnés.
• Pour la régulation du cycle, ce sont des Kinases cycline-dépendante (Cdk) qui interviennent.
• Dans le cas de la mitose, d’autres molécules vont inhiber les Cdk et arrêter le cycle si l’étape précédente a été mal effectuée, ou si une réparation est nécessaire.

Qu’est ce qui permet l’avancée du cycle ? Est-ce que il existe un système de commandement du cycle ? Qu’est-ce qui coordonnent les événements qui caractérisent chaque phase ? Existe-t-il des points de contrôles entre G1, G2, S et M.

Le système de contrôle du cycle peut être assimilé à :

• Une horloge (minuterie) qui active chaque événement à un moment spécifique.
• Des signaux externes qui participent au déclenchement et à la progression du cycle.
• Des mécanismes internes d’initiation des événements dans l’ordre correct.

Cdk et MPF sont les protéines qui agissent dans la régulation du cycle.

II - MISE EN EVIDENCE DE L’EXISTENCE D’UN CONTROLE DU CYCLE CELLULAIRE

1- L’entrée en phase M est sous le contrôle d’un facteur diffusible : le MPF (Mitosis Promoting Factor)

→ Comprendre comment le cycle cellulaire est régulé nécessite donc de comprendre le mode de fonctionnement des facteurs internes.

En 1971, des expériences de fusion de cellules en mitose et de cellules à des stades différents de l’interphase ont montré que l’entrée en mitose est induite par des facteurs cytoplasmiques diffusibles → Le MPF

[pic 1]

La fusion de toute cellule en interphase (G1 ou S) et d’une cellule en phase M induit la condensation des chrs et la disparition de l’enveloppe nucléaire.

→ Mise en évidence d’un contrôle du cycle cellulaire : L’ovocyte de Xénope (grenouille) est un système qui a permis l’analyse du déclenchement de la phase M du cycle cellulaire.

- 1ère expérience de micro-injection de cytoplasme d’un ovocyte II (bloqué en 2e division de méiose, métaphase II) dans un ovocyte I (= mature). Cette expérience montre qu’une substance contenue dans le cytoplasme de l’ovocyte bloqué en métaphase II peut induire la maturation. Ce facteur a été appelé MPF (déclencheur de phase M).

→ Mis en évidence en 1971, le MPF ne sera identifié et caractérisé précisément qu’en 1988.

Le MPF est un complexe formé de 2 protéines :

• Une sous unité catalytique : une enzyme phosphorylant des protéines cibles activée en présence d’une cycline, d’où son nom : protéine kinase-cycline-dépendante (Cdk).
• Une sous unité régulatrice : appartenant à la famille des cyclines

→ Ensemble cycline + Cdk = hétéromère.

2- L’entrée en phase S (réplication) est aussi sous le contrôle d’un facteur diffusible

- 2e expérience comme précédemment, on peut réaliser la fusion d’une cellule en phase S avec une cellule en phase G1 ou G2. Mais les résultats ne sont pas les mêmes dans les deux cas de figure.

→ Fusion d’une cellule en G1 (avant réplication) et d’une cellule en phase S : un facteur contenu dans le cytoplasme de la cellule en S agit sur les fibres chromatiniennes de la cellule en G1 pour induire la synthèse d’ADN. Il existe donc, dans le cytoplasme des cellules en S, un facteur d’entrée en phase S.

→ Fusion d’une cellule en G2 (post réplication) et d’une cellule en phase S : le facteur contenu dans le cytoplasme de la cellule en S n’agit pas sur les fibres chromatiniennes déjà répliquée : ce facteur n’est pas actif sur des cellules ayant déjà répliqué leur ADN. Il existe donc un mécanisme de contrôle qui bloque toute nouvelle réplication tant que la mitose n’a pas eu lieu.

NB : le noyau n’entre en mitose avant que la phase S soit terminée (=contrôle de l’entrée en mitose).

Ce facteur correspond en fait à un complexe protéique, qui est de même nature que le MPF, c’est à dire formé d’une Cdk associée à une cycline.

3- Conclusion : deux transitions importantes dans le cycle cellulaire

2 transitions importantes dans le cycle : entrée en mitose et entrée en phase S.

→ sont sous la dépendance de facteur de régulation.

• d’une cycline, protéine sans activité enzymatique, et dont la présence varie au cours du cycle.
• d’une kinase, active lorsque liée à une cycline = Cdk (kinase dépende d’une cycline)

III- LA REGULATION DE LA SUCCESSION DES 4 PHASES DU CYCLE PAR LES COMPLEXES CYCLINES-CDK

1- Définition et mode d’action des kinases cycline dépendantes (Cdk)

Complexe Cycline-Cdk (= MPF, parmi 12 autres)

Entre 1990 et 2000, découverte d’une douzaine de Cycline - Cdk chez l’homme. 6 interviennent ds le contrôle du cycle cellulaire.