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La division cellulaire est fondamentale pour tous les organismes vivants et nécessaire à la croissance et au développement. En tant que moyen de reproduction essentiel pour tous les êtres vivants, la division cellulaire permet aux organismes de transférer leur matériel génétique à leur progéniture. Pour un organisme unicellulaire, la division cellulaire génère un organisme complètement nouveau. Pour les organismes multicellulaires, la division cellulaire produit de nouvelles cellules pour le développement général de l’organisme, ainsi que des cellules saines pour remplacer les cellules endommagées par les blessures. La reproduction des organismes multicellulaires nécessite une division cellulaire pour créer des cellules reproductrices.
Pour se diviser, une cellule doit d’abord dupliquer et diviser son contenu génétique en deux cellules filles. Cette série de duplication et de division s’appelle le cycle cellulaire. Les détails du cycle cellulaire varient d’un organisme à l’autre, mais les étapes fondamentales de la division cellulaire sont universelles.
Environ 78 % de la vie d’une cellule est passée en interphase, à se développer et à se préparer à la division cellulaire. L’interphase elle-même contient trois sous-phases. Immédiatement après la division cellulaire, une cellule nouvellement formée entre dans la partie Gap 1 ou G1 de l’interphase. Au cours de G1, les cellules se développent activement et, dans de nombreux cas, se différencient pour remplir des fonctions spécifiques. À ce stade, la cellule est sensible aux signaux internes et externes pour déterminer s’il faut se diviser ou non. Certaines cellules, comme les neurones, ne procèdent pas à la division cellulaire après la différenciation et restent en G1 jusqu’à leur mort. Une fois que la cellule répond aux critères pour procéder à la division cellulaire, elle entre dans l’étape de synthèse ou S de l’interphase, au cours de laquelle la cellule réplique l’ensemble de son génome. Ensuite, la cellule entre dans la phase Gap 2 ou G2 pour synthétiser toutes les protéines nécessaires à la division cellulaire. Vient ensuite la phase de division cellulaire.
Il existe deux types de division cellulaire dans les cellules eucaryotes : la mitose et la méiose. Les cellules somatiques ou non reproductrices produisent des cellules filles par division mitotique. La mitose est la division nucléaire et se compose de cinq étapes : prophase, prométaphase, métaphase, anaphase et télophase Pendant la prophase, les molécules d’ADN dupliquées se condensent en chromosomes serrés, tandis que les microtubules forment des fuseaux. L’enveloppe nucléaire se dissout en prométaphase. Au cours de la métaphase, les chromosomes qui sont connectés aux fuseaux s’alignent le long de l’équateur des cellules. Au cours de l’anaphase, les chromatides sœurs sont attirées vers les pôles opposés de la cellule. Enfin, au cours de la télophase, de nouvelles enveloppes nucléaires se forment autour des deux groupes de chromosomes. Une fois la division nucléaire terminée, le cytoplasme autour de chaque noyau se sépare l’un de l’autre par cytokinèse, ce qui donne deux cellules filles identiques.
L’autre type de division cellulaire eucaryote est appelé méiose, qui est spécifique aux cellules reproductrices. La méiose produit quatre cellules filles, chacune avec seulement la moitié du contenu génétique de la cellule mère. Dans ce processus, la cellule duplique son ADN pendant l’interphase, puis complète deux divisions cellulaires successives, divisant les cellules de deux en quatre cellules, respectivement. Ces divisions cellulaires successives sont appelées méiose I et méiose II, qui comprennent toutes deux toutes les étapes de la prophase à la télophase. L’échange de matériel génétique entre les ensembles de chromatides non sœurs se produit pendant la prophase I dans un processus appelé crossing-over. Les paires de chromosomes homologues sont alignées le long de l’équateur de la cellule pendant la métaphase I et s’éloignent les unes des autres pendant l’anaphase I. Des noyaux filles haploïdes se forment pendant la télophase I. La cytokinèse se produit généralement avant la méiose II, cependant, l’interphase ne se produit presque jamais entre les deux divisions successives. La méiose II est très similaire à la mitose et sépare les chromatides sœurs. À la fin de la méiose, quatre cellules filles haploïdes se forment. Ces cellules, cellules filles, sont appelées gamètes et forment les spermatozoïdes ou les ovules.
La division cellulaire est étroitement régulée à l’externe et à l’intérieur. La réglementation extérieure assure la nécessité de la division. Par exemple, les cellules de la muqueuse de l’estomac se divisent fréquemment pour répondre au besoin continu de nouvelles cellules pour remplacer les cellules endommagées. De même, les tissus lésés peuvent connaître des taux plus élevés de division cellulaire pour remplacer les cellules endommagées, mais seulement pendant une certaine période de temps tant que les signaux externes pour diriger la division cellulaire sont présents. La régulation interne de la division cellulaire assure la santé des cellules filles. Il existe de nombreux points de contrôle dans les phases du cycle cellulaire qui régulent la transition de la cellule d’une phase à l’autre. Par exemple, les mécanismes de contrôle de la qualité ne permettent à la cellule de passer de la phase G1 à la phase S que si l’ADN est intact et apte à la réplication. De même, un point de contrôle en G2 ne permet aux cellules de passer à la mitose (phase M) que si l’ADN a été complètement et précisément répliqué. De plus, un point de contrôle de métaphase garantit que les chromosomes sont attachés aux fuseaux et correctement alignés avant que l’anaphase puisse commencer. Une cellule qui échoue à un point de contrôle peut être ciblée pour l’apoptose si la cellule n’est pas en mesure de corriger l’erreur.
Certaines mutations permettent aux cellules de se diviser même lorsqu’il n’y a pas de signal dirigeant la division cellulaire. Par exemple, les gènes suppresseurs de tumeurs empêchent les cellules de se diviser de manière incontrôlée et la mutation de ces gènes soulage cette inhibition. Cette division cellulaire aberrante, si elle n’est pas contrôlée, peut provoquer la formation de tumeurs et, dans certains cas, conduire au cancer. En tant que l’une des principales causes de décès aux États-Unis, le cancer a sans aucun doute un impact majeur sur la société. Le risque de cancer au cours de la vie augmente avec l’âge, car les mutations de l’ADN s’accumulent au fil du temps, en particulier pour les cancers du sein, du poumon, de la prostate et du côlon1. Ainsi, la recherche en cours sur la division cellulaire est essentielle pour améliorer la détection et le traitement du cancer et, éventuellement, pour la prévention. En effet, les thérapies actuelles pour traiter le cancer tirent parti de la connaissance des mécanismes de division cellulaire, tels que le ciblage des mécanismes impliqués dans la division cellulaire. Par exemple, les médicaments à base de platine tels que le cisplatine se lient à l’ADN et arrêtent la réplication de l’ADN, tandis que les taxanes tels que le paclitaxel se lient aux microtubules et inhibent le désassemblage du fuseau, arrêtant ainsi la division cellulaire2.
Une compréhension du cycle cellulaire et des mécanismes de division cellulaire est également importante pour comprendre et développer des traitements pour les conditions qui affectent les cellules non divisées. Actuellement, les lésions du système nerveux ou du cœur peuvent avoir des effets débilitants car les neurones et les cellules musculaires endommagés ne peuvent pas être remplacés. Cependant, les lésions du tissu nerveux sont associées à l’activation des voies du cycle cellulaire dans les neurones et les cellules gliales de soutien. Il est intéressant de noter que l’inhibition de ces voies du cycle cellulaire réduit la formation de cicatrices gliales et les dommages secondaires après une blessure. Par conséquent, il est impératif de comprendre la régulation du cycle cellulaire et de la division cellulaire pour comprendre les conditions saines et malades de tous les systèmes organiques3.
Le cycle cellulaire fait référence à la séquence d'événements tout au long de la vie d'une cellule typique - impliquant la croissance, la réplication de l'ADN et la préparation à la division cellulaire. Pour les organismes à reproduction sexuée, la vie commence sous la forme d’un zygote, un œuf fécondé. Au fil du temps, cette cellule unique d’origine se développe et se divise de manière contrôlée pour produire un individu multicellulaire et complexe. Les cellules poursuivent ce processus, notamment pour entretenir et réparer les tissus au cours du vieillissement.
Regardons maintenant de plus près. Chez les eucaryotes, l'ADN double brin est spécialement organisé au sein d'un noyau délimité par une membrane pour s'adapter à l'espace limité de la cellule. Au premier niveau de compactage, l’ADN est étroitement enroulé autour de protéines spécifiques appelées histones. Cette combinaison de particules de protéines d’ADN est ensuite répétée et emballée dans des réseaux connus sous le nom de nucléosomes, qui, avec l’ADN de liaison, forment des fibres de chromatine enroulées. Enfin, d’autres protéines fibreuses compactent encore plus la chromatine, emballant de grandes longueurs d’ADN en unités étroitement condensées. Reconnus comme des chromosomes, en fonction de la phase de division cellulaire.
Pour se préparer à la division, les cellules doivent passer par une interphase, qui est divisée en trois étapes. G1, S et G2. Dans G1, la première phase d’écart, une cellule fille nouvellement générée augmente en taille et se prépare à la duplication de l’ADN dans la phase suivante. Maintenant, dans S, la phase de synthèse, les cellules dupliquent leur ADN nucléaire, qui reste emballé sous forme de chromatine. Les cellules dupliquent également les centrosomes, les structures organisatrices des microtubules qui forment l’appareil du fuseau mitotique. Enfin, dans G2, la deuxième phase d’écart, les cellules continuent de croître, multiplient les organites et les protéines nécessaires à la mitose et reconstituent leurs réserves d’énergie. La cellule est maintenant prête à entrer dans la première étape de la mitose.
Composée de cinq étapes uniques, la mitose est une forme de division où le matériel génétique d'une cellule est réparti entre deux cellules filles. D’abord pendant la prophase chez l’homme, la chromatine nucléique se condense en chromosomes en forme de X, composés de paires de chromatides sœurs attachées aux jonctions centromères. En même temps à l’extérieur du noyau, les centrosomes migrent vers les côtés opposés de la cellule. Ce faisant, des tiges de microtubules commencent à se développer à partir de chacun. Soit vers l'intérieur ou l'extérieur de la cellule, formant un appareil fusiforme en forme de toile. Ensuite, l'enveloppe nucléaire se dissout pendant la prométaphase, exposant les chromosomes aux autres contenus de la cellule. Des structures protéiques apparaissent également des deux côtés des centromères, une pour chaque chromatide. Une fois que ces kinétochores se forment, des microtubules internes en expansion s’y fixent, chaque chromatide sœur étant attachée à un pôle différent.
La mitose progresse ensuite vers la métaphase, où l'appareil fusiforme réorganise les chromosomes de sorte qu'ils soient orientés de manière similaire en une rangée fixe le long de l'équateur de la cellule. Au cours de l’anaphase, les microtubules fixés par le kinétochore se raccourcissent. Et les chromatides sœurs, maintenant appelées individuellement chromosomes, sont séparées. Celles-ci et d’autres dynamiques des microtubules allongent également la cellule. Enfin, les chromosomes atterrissent sur des côtés cellulaires opposés pendant la télophase. Et l’appareil à broche se dissout. Le matériel génétique se relâche et deux enveloppes nucléaires, une autour de chaque ensemble de chromosomes, apparaissent. Au cours de la télophase, un processus distinct, qui n’est pas techniquement une étape de la mitose, appelé cytokinèse, divise également la cellule. Ainsi, le résultat final de la mitose est une paire de cellules génétiquement identique à leur précurseur.
Malheureusement, les mutations peuvent endommager les gènes contrôlant la régulation du cycle cellulaire, ce qui conduit à ce que la division cellulaire se déroule sans contrôle. Dans ce cas, chaque division cellulaire successive produit des cellules filles avec encore plus de dommages... et la régulation défectueuse de la croissance conduit finalement à la formation de masses cellulaires appelées tumeurs.
Dans cet atelier, vous allez examiner les différentes étapes de la mitose à l’aide de cellules de pointe de racine d’oignon. Et puis examinez ce qui se passe lorsque le contrôle du cycle cellulaire est perdu.
