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Une introduction à la division cellulaire

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Cell Biology

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An Introduction to Cell Division

4.2: Cell Cycle Analysis

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10:03 min

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April 30, 2023

Overview

La division cellulaire est le processus par lequel une cellule-mère se divise et donne naissance à deux ou plusieurs cellules-filles. C’est un moyen de reproduction pour les organismes unicellulaires. Chez les organismes multicellulaires, la division cellulaire contribue à la croissance, développement, la réparation et la génération de cellules reproductrices (les spermatozoïdes et les œufs). La division cellulaire est un processus fortement réglementé, et la division cellulaire aberrante peuvent provoquer des maladies, notamment le cancer.

Introduction de Jupiter à la Division cellulaire couvrira un bref historique des découvertes dans le domaine historique. Nous avons ensuite discuter de plusieurs questions clés et les méthodes, telles que l’analyse du cycle cellulaire et imagerie cellulaire en direct. Enfin, nous vous présentons certaines applications actuelles de ces techniques dans la recherche de la division cellulaire.

Procedure

La division cellulaire est un processus par lequel une cellule produit deux ou plusieurs cellules-filles. Organismes unicellulaires, comme la levure, se reproduisent par division cellulaire, alors que les organismes multicellulaires, comme nous, utilisent le même processus pour développer, cultiver et entretenir nos tissus. Connaissance de la division cellulaire normale de Quels contrôles est essentielle pour comprendre comment les perturbation de ce phénomène peut déclencher des processus pathologiques.

Cette vidéo présente un bref historique des découvertes dans le domaine de la division cellulaire, met en évidence les principales questions posées par les biologistes cellulaires, clients importants outils utilisés et met en valeur certaines applications actuelles.

Commençons par un examen de quelques études de point de repère qui a jeté les bases de la recherche de la division cellulaire.

L’existence de cellules a été pour la première fois dans les années 1600 par Anton van Leeuwenhoek et Robert Hooke. Habilitée par innovations en microscopie, ils levé le voile sur le monde microscopique invisible. La première observation qui pourraient diviser les cellules a été faite dans les années 1830 par deux botanistes, Barthélemy Dumortier et Hugo von Mohl, qui a découvert cette cellule d’une plante peut donner lieu à deux en divisant. Suite à cette découverte, en 1838, un botaniste — Matthias Jakob Schleiden — et un physiologiste — Theodor Schwann — observé des similitudes dans les cellules végétales et animales. Cela a conduit Schwann postuler les deux principes de la théorie cellulaire, tout d’abord : « tous les organismes vivants sont composés d’une ou plusieurs cellules » ; deuxième : « les cellules sont les modules de base de toute vie. » Presque vingt ans plus tard, un médecin nommé Rudolf Virchow a publié le troisième principe de la théorie cellulaire, qui a déclaré : « toutes les cellules proviennent de cellules préexistantes. »

En 1876, Walther Flemming, tout en observant la division cellulaire, a observé la séparation des structures filiformes. Par conséquent, il a inventé le terme « mitose, » dérivé du thread de sens mot grec mitos. Plus tard, Edouard Van Beneden et Theodor Heinrich Boveri découvrirent que ces threads sont en fait des chromosomes, qui sont scindées avec l’aide de microtubules découlant de structures appelées maintenant centrosomes. Beneden, ainsi qu’Oscar Hertwig et August Weismann, a également expliqué la méiose — un autre type de division qui produit les cellules comme des gamètes. Ils ont montré que la méiose, contrairement à la mitose, implique un cycle de réplication de l’ADN, mais deux séries de la division cellulaire aboutissant à réduire de moitié le nombre de chromosomes du parent aux cellules filles.

Dans la seconde moitié du XXe siècle, les scientifiques s’est intéressés dans la régulation du cycle cellulaire, un processus dans lequel une cellule passe par une série d’étapes menant à sa division. Une des découvertes plus importantes dans ce domaine est entré en 1972 de Leland Hartwell et ses collègues. À l’aide de souches de levures, ils ont démontré qu’il existe des gènes qui jouent un rôle important dans l’orientation des cellules à travers les étapes du cycle cellulaire, et les Dr Hartwell nomme comme le cycle de la division cellulaire de gènes ou « cdc. »

Une autre découverte fut en 1983 par Tim Hunt, qui étudiait les oursins. Il a identifié les protéines qui oscillent dans leur abondance en synchronie avec les phases du cycle cellulaire. En raison de leur nature oscillatoire, il nomma ces protéines comme « cyclins », et maintenant nous savons que les cyclines sont des régulateurs clés du cycle cellulaire. Quatre ans plus tard, Sir Paul Nurse et ses collègues ont montré que les gènes de cdc, en particulier cdc2, était hautement conservée entre les levures et les humains. Ensemble, ces découvertes considérablement accru notre compréhension de la division cellulaire et donc ont été bien méritée récompensés par un prix Nobel en 2001.

Maintenant que nous avons passé en revue certains faits saillants historiques, examinons quelques questions fondamentales auxquels est aujourd’hui confronté le domaine de la division cellulaire.

Nous commencerons avec peut-être la question plus large dans la division cellulaire : quels gènes et voies de signalisation intracellulaires régulent le cycle cellulaire ? On sait que la duplication et la division sont contrôlés par une série de commutateurs biochimiques qu’activer ou désactiver les processus du cycle cellulaire. Les chercheurs sont efforcent de jeter plus de lumière sur les molécules qui influent sur la progression ou l’inhibition du cycle cellulaire.

Les biologistes sont aussi intéressés par l’identification des facteurs extracellulaires qui stimulent ou inhibent la division cellulaire. Les cellules peuvent augmenter la division cellulaire en réponse à des signaux chimiques externes appelés mitogènes. Scientifiques s’affairent à comprendre quel externe cues stimulent ou inhibent la division cellulaire.

La division cellulaire anormale peut conduire à la prolifération cellulaire accrue ou diminuée. La prolifération cellulaire accrue provoque des maladies comme le cancer. Les chercheurs ont découvert que les mutations dans certains gènes appelés oncogènes est impliqué dans l’initiation du cancer. En outre, les scientifiques ont également découvert plusieurs protéines qui jouent un rôle crucial dans la progression tumorale. Toutefois, plusieurs facteurs causant des tumeurs restent encore inconnues et biologistes sont efforcent dur de les révéler.

Maintenant que vous avez une idée pour certaines des questions sans réponse, nous allons étudier quelques outils de recherche, les biologistes utilisent pour trouver des réponses.

Dans un mélange de cellules se divisant activement, la proportion de cellules qui existent dans chaque phase du cycle cellulaire peut être déterminée en analyse du cycle cellulaire. Cela se fait avec l’aide de colorants spéciaux, tels que bromodésoxyuridine ou BrdU. C’est un analogue de thymidine et s’intègre dans le brin d’ADN nouvellement synthétisé au cours de la réplication de l’ADN. Par conséquent, il les étiquettes uniquement les cellules en phase S. En revanche, des composés fluorescents comme propidium idodide (PI) tachent tout de l’ADN, mais la quantité de PI lié peut aider à distinguer entre les cellules dans les différentes phases. L’étape finale consiste à analyser les cellules colorées à l’aide de cytométrie en flux et données obtenues révèlent la distribution de cellules parmi les étapes du cycle de cellules différentes.

Progrès dans les techniques d’imagerie maintenant facilitent l’observation directe de la division cellulaire. Scientifiques peuvent maintenant tacher les cellules à l’aide de colorants de fluorescéine, ou effectuer des manipulations génétiques pour induire l’expression de protéines fluorescentes. Suite à cela, ils peuvent observer directement direct divisant en Time-lapse microscopie des cellules.

Enfin, les scientifiques ont également conçu un moyen de quantifier le nombre de divisions que les cellules subissent au sein d’une population de cellules mixtes. Cela se fait à l’aide de « colorants suivi quantifiable. » Ces colorants sont utiles parce que le signal qu’ils génèrent devient variateur car il est dilué par l’intermédiaire de la division cellulaire. L’intensité de fluorescence dégressif peut être utilisée pour identifier les cellules dans les différentes générations. En outre, la différence entre la plus haute et la plus faible intensité de fluorescence peut fournir aperçu combien de fois les cellules ont subi de division.

Maintenant que vous êtes familiarisé avec certaines approches communes à l’étude de la division cellulaire, regardons comment ces méthodes sont appliquées.

Comme mentionné précédemment, les gènes jouent un rôle majeur dans le contrôle du cycle cellulaire. Ici, les scientifiques ont étudié l’effet d’une mutation génétique sur la division cellulaire chez les larves de drosophile . Ils ont effectué des croisements génétiques pour produire avec des mutations spécifiques et puis en utilisant l’analyse de cycle de cellules ont observé les effets de la mutation dans les tissus en voie de développement d’aile d’oiseau.

À l’aide de la microscopie de fluorescence, les scientifiques peuvent aussi directement observer comment les drogues affectent la division cellulaire dans le cancer. Dans cette expérience, les chercheurs se sont intéressés à déterminer comment un médicament potentiel, JP-34, affecté la division cellulaire du cancer. Les résultats ont montré que les cellules cancéreuses traitées avec JP-34 a subi mitotique échec et la mort cellulaire.

Enfin, les scientifiques utilisent les colorants de suivi pour identifier les différences dans les taux de prolifération cellulaire. Ici, ils employaient un colorant de repérage quantifiables que les labels des membranes cellulaires pour étudier les différences dans la division cellulaire des cellules immunitaires différentes. L’analyse des données écoulement cytometry a révélé que le taux de prolifération diffère entre les différents types de cellules immunitaires.

Vous avez juste regardé introduction de Jupiter à la division cellulaire. Dans cette vidéo, nous avons examiné certains des grandes découvertes dans la division cellulaire, questions clés posées par les biologistes cellulaires aujourd’hui, des outils employés dans les laboratoires de la division cellulaire et leurs applications actuelles. Comme toujours, Merci pour regarder !

Transcript

Cell division is a process by which one cell produces two or more daughter cells. Unicellular organisms, like yeast, reproduce by cell division, whereas multicellular organisms, like us, use the same process to develop, grow, and maintain our tissues. Knowledge of what controls normal cell division is critical to understanding how disruption of this phenomenon can initiate pathological processes.

This video presents a brief history of discoveries in the cell division field, highlights key questions asked by cell biologists, reviews prominent tools being used, and showcases some present-day applications.

Let’s start by reviewing some landmark studies that laid the foundation of cell division research.

The existence of cells was first reported in the 1600’s by Anton van Leeuwenhoek and Robert Hooke. Empowered by innovations in microscopy, they pulled back the veil on the invisible microscopic world. The first observation that cells could divide was made in the 1830’s by two botanists, Barthélemy Dumortier and Hugo von Mohl, who discovered that one plant cell can give rise to two by dividing. Following this discovery, in 1838, a botanist—Matthias Jakob Schleiden— and a physiologist—Theodor Schwann—observed similarities in plant and animal cells. This led Schwann to postulate the two tenets of cell theory, first: “all living organisms are composed of one or more cells”; second: “cells are the basic building blocks of all life.” Nearly twenty years later, a physician named Rudolf Virchow published the third tenet of cell theory, which stated: “all cells arise from preexisting cells.”

In 1876, Walther Flemming, while viewing cell division, observed separation of thread-like structures. Therefore, he coined the term “mitosis,” derived from the Greek word mitos meaning thread. Later on, Edouard Van Beneden and Theodor Heinrich Boveri discovered that those threads are actually chromosomes, which are being divided with the help of microtubules arising from structures now known as centrosomes. Beneden, along with Oscar Hertwig and August Weismann, also explained meiosis—a different type of division that produces cells like gametes. They showed that meiosis, unlike mitosis, involves one round of DNA replication but two rounds of cell division, resulting in halving of the chromosome number from the parent to the daughter cells.

In the latter half of the twentieth century, scientists became interested in regulation of the cell cycle, a process in which a cell passes through a series of phases leading to its division. One of the most important discoveries in this field came in 1972 from Leland Hartwell and colleagues. Using yeast strains, they demonstrated that there are genes that play an important role in guiding cells through the cell cycle stages, and Dr. Hartwell named them as the cell division cycle genes or “cdc’s.”

Another discovery came in 1983 by Tim Hunt, who was studying sea urchins. He identified proteins that oscillate in their abundance in synchrony with the cell cycle phases. Due to their oscillatory nature, he named these proteins as “cyclins,” and now we know that cyclins are key regulators of the cell cycle. Four years later, Sir Paul Nurse and colleagues showed that cdc genes, in particular cdc2, was highly conserved between yeasts and humans. Together, these discoveries significantly increased our understanding of cell division, and thus were well deservedly rewarded with a Nobel Prize in 2001.

Now that we’ve reviewed some historical highlights, let’s examine a few fundamental questions facing the field of cell division today.

We’ll begin with perhaps the broadest question in cell division: what genes and intracellular signaling pathways regulate the cell cycle? It is known that duplication and division are controlled by a series of biochemical switches that activate or deactivate the cell cycle processes. Researchers are working to shed more light on the molecules that influence the progression or inhibition of the cell cycle.

Biologists are also interested in identifying the extracellular factors that stimulate or inhibit cell division. Cells may increase cell division in response to external chemical cues called mitogens. Scientists are working to understand what external cues stimulate or inhibit cell division.

Abnormal cell division can lead to increased or decreased cell proliferation. Increased cell proliferation causes diseases like cancer. Researchers have discovered that mutations in certain genes known as oncogenes is involved in initiation of cancer. In addition, scientists have also discovered several proteins that play a critical role in tumor progression. However, several tumor-causing factors still remain unknown, and biologists are striving hard to reveal them.

Now that you have a feel for some of the unanswered questions, let’s look at a few research tools biologists use to find answers.

In a mixture of actively dividing cells, the proportion of cells that exist in each phase of the cell cycle can be determined by cell cycle analysis. This is done with the help of special dyes, like bromodeoxyuridine or BrdU. It is a thymidine analog and incorporates itself in the newly synthesized DNA strand during DNA replication. Hence, it labels S phase cells only. On the other hand, fluorescent compounds like propidium idodide (PI) stain all of the DNA, but the amount of PI bound can help distinguish between cells in different phases. The final step is to analyze the stained cells using flow cytometry, and data obtained reveals distribution of cells amongst different cell cycle stages.

Advances in imaging techniques now facilitate direct observation of cell division. Scientists can now stain cells using fluorescein dyes, or perform genetic manipulation to induce expression of florescent proteins. Following this, they can directly observe live cells dividing using time-lapse microscopy.

Lastly, scientists have also devised a way to quantify the number of divisions that specific cells undergo within a mixed cell population. This is done by using “quantifiable tracking dyes.” These dyes are useful because the signal they generate becomes dimmer as it’s diluted through cell division. The diminishing fluorescence intensity can be used to identify cells in different generations. In addition, the difference between the highest and the lowest fluorescence intensity can provide insight into how many times the cells underwent division.

Now that you’re familiar with some common approaches to studying cell division, let’s look at how these methods are being applied.

As discussed earlier, genes play a major role in cell cycle control. Here, scientists studied the effect of genetic mutation on cell division in Drosophila larvae. They performed genetic crosses to produce flies with specific mutations, and then using cell cycle analysis observed the effects of the mutation within the developing wing tissue.

Using fluorescence microscopy, scientists can also directly observe how drugs affect cell division in cancer. In this experiment, researchers were interested in determining how a potential drug, JP-34, affected cancer cell division. Results showed that cancer cells treated with JP-34 underwent mitotic failure and cell death.

Finally, scientists use tracking dyes to identify differences in cell proliferation rates. Here, they employed a quantifiable tracking dye that labels cell membranes to study differences in cell division of various immune cells. The flow cytometry data analysis revealed that the proliferation rate differs between different types of immune cells.

You’ve just watched JoVE’s introduction to cell division. In this video we reviewed some of the major discoveries in cell division, key questions being asked by cell biologists today, prominent tools employed in cell division labs, and their current applications. As always, thanks for watching!

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