Cycle cellulaire

Qu'est-ce que le cycle cellulaire ?

Schéma du cycle cellulaire

Le cycle cellulaire décrit le cycle de vie d'une cellule eucaryote alors qu'elle remplit ses fonctions nécessaires et se prépare à la division cellulaire, produisant deux nouvelles cellules filles. Le cycle cellulaire est divisé en deux phases : l'interphase et la phase M. La figure 1 présente le schéma du cycle cellulaire.

Fig. 1 - Le cycle cellulaire avec l'interphase et la phase M, ainsi que les sous-phases : G1, S, G2, Mitose et Cytokinèse

Interphase et mitose

Les phases du cycle cellulaire, l'interphase et la phase M (mitose), sont ensuite décomposées en sous-phases : G1, phase S, et ainsi de suite. Examinons plus en détail chacune de ces phases et sous-phases du cycle cellulaire.

Interphase

L'interphase est la partie la plus longue du cycle cellulaire, où la cellule remplit ses fonctions essentielles et se prépare à la division. L'interphase se décompose en trois sous-phases : la phase G1, la phase de synthèse (phase S) et la phase G2. Ces phases du cycle cellulaire sont décrites brièvement ci-dessous :

Phase G1 du cycle cellulaire

• La cellule remplit toutes ses fonctions nécessaires.

• Elle accumule de l'énergie et des protéines en vue de la phase de synthèse.

• La cellule grandit de manière à être suffisamment grande pour être divisée en deux.

• Le premier point de contrôle cellulaire garantit que la cellule est prête à passer à la phase S.

Phase S du Cycle cellulaire

• La cellule subit une réplication de l'ADN, copiant exactement tous les chromosomes de l'ADN.

• Les chromosomes forment maintenant la forme en X reconnaissable, chaque moitié du X étant une copie complète de l'autre côté. Chaque moitié est appelée chromatide sœur.

• Les organites appelés centrosomes sont dupliqués.

Phase G2 du cycle cellulaire

• La cellule continue à croître et à accumuler de l'énergie pour la phase mitotique.

• Les organites sont dupliqués pour chaque cellule fille.

• Le cytosquelette est démantelé en microtubules qui seront utilisés pendant la mitose.

• Un deuxième point de contrôle cellulaire garantit que la cellule est prête à entrer dans la phase M.

Phase M du cycle cellulaire

La phase M (ou mitose) du cycle cellulaire est le moment où la cellule sépare ses chromosomes d'ADN et ses composants cellulaires, ce qui conduit à la division cellulaire et aux cellules filles. La phase M se compose de deux sous-phases qui se produisent simultanément : la mitose et la cytokinèse. La mitose est la division des chromosomes d'ADN ; elle se déroule en cinq sous-phases : prophase, prométaphase, métaphase, anaphase et télophase.

La cytokinèse est le moment où la division cellulaire se produit réellement, produisant des cellules filles. Dans les cellules animales, un anneau d'actine pince la membrane plasmique de la cellule jusqu'à ce qu'elle se divise en deux cellules, un peu comme si on pinçait un morceau d'argile en deux. Les cellules végétales, en revanche, construisent une plaque cellulaire à l'intérieur d'elles-mêmes jusqu'à ce qu'elle fusionne avec leur paroi externe et sépare les deux nouvelles cellules filles. Une fois la cytokinèse terminée, le cycle cellulaire est également terminé et peut recommencer pour chacune des cellules filles.

Prophase

• Au cours de la première étape de la mitose, les chromosomes commencent à se condenser et à devenir visibles.

• Les centrosomes se séparent sur les côtés opposés, produisant des fuseaux mitotiques. Ces fuseaux déplacent les chromosomes dans la cellule, comme les fils d'une marionnette.

• L'enveloppe nucléaire se décompose et se déplace vers le bord de la cellule, laissant place à la mitose.

Prométaphase

• Les chromosomes se condensent complètement, mais sont toujours dirigés vers le milieu de la cellule.

• Les fuseaux mitotiques se fixent à chaque chromatide sœur au niveau de structures appelées kinétochores.

• Les centrosomes se sont déplacés vers les pôles opposés de la cellule.

Métaphase

• Les chromosomes sont alignés au centre de la cellule sur une ligne droite appelée plaque équatoriale.

• Un point de contrôle cellulaire s'assure que les fuseaux mitotiques se sont correctement fixés au kinétochore de chaque chromatide sœur, en vue de la séparation des chromosomes.

Anaphase

• Les fuseaux mitotiques se raccourcissent, séparant chacune des chromatides sœurs. Maintenant que les chromatides se sont séparées, elles sont appelées chromosomes filles. Deux jeux complets de chromosomes devraient maintenant se trouver sur les côtés opposés de la cellule.

• Les fuseaux mitotiques non attachés allongent la cellule en une forme ovale, la préparant à la division cellulaire pendant la cytokinèse.

Télophase

• Deux nouvelles enveloppes nucléaires se forment autour des chromosomes d'ADN.

• Les chromosomes se détachent en chromatine utilisable.

• Les fuseaux mitotiques se décomposent et sont recyclés dans le cytosquelette des nouvelles cellules filles après la cytokinèse.

Phase G0

Immédiatement après la division cellulaire par mitose, la nouvelle cellule peut entrer dans une phase de quiescence appelée gap zéro ou phase G0 du cycle cellulaire, et ne continuera pas à se diviser activement. Il peut s'agir d'un stade temporaire lorsque l'organisme est soumis à un stress, avant que la cellule ne passe en phase G1 après un stimulus extérieur. Elle peut aussi être permanente, comme c'est le cas des cellules nerveuses ou cardiaques qui ne se divisent pas activement une fois formées.

Régulation du cycle cellulaire

Imagine un instant que la cellule ne dispose pas de toute l'énergie ou des protéines nécessaires pour achever la réplication de l'ADN. Peut-être que certains chromosomes ont été complètement copiés, d'autres seulement partiellement, et certains pas du tout. Comment cela affecterait-il la mitose ou les cellules filles qui se divisent à partir de cette cellule mère ?

Cela pourrait être désastreux ! Les cellules filles pourraient mourir immédiatement, ou vivre, mais être incapables de remplir leur fonction, ou encore continuer à se diviser sans s'arrêter et provoquer un cancer. Pour éviter cela, la cellule régule étroitement le cycle cellulaire en utilisant des « points de contrôle » entre la phase G1 et la phase S, la phase G2 et la phase M, et pendant la métaphase de la mitose.

Point de contrôle G1/S

Le passage à la phase S du cycle cellulaire est le point de non-retour de la division cellulaire, souvent appelé point de restriction. Une fois que les chromosomes commencent à se répliquer, la cellule s'engage à devenir deux nouvelles cellules. Ce premier point de contrôle du cycle cellulaire vérifie si la cellule est prête à achever la réplication de l'ADN à l'aide de signaux extracellulaires, tels que des facteurs de croissance.

La cellule vérifie également que ses chromosomes ne sont pas endommagés. Si des dommages sont détectés, le cycle cellulaire s'interrompt. La cellule peut alors essayer de réparer l'ADN si elle le peut ou passer en phase G0 jusqu'à ce qu'elle soit prête ou déclenchée pour passer en phase S par un autre signal.

Point de contrôle de la phase G2/M

Ce point de contrôle vise à s'assurer que la cellule est suffisamment grande et dispose de suffisamment d'énergie pour achever le cycle cellulaire avec la mitose et la cytokinèse. Mais la principale régulation qui se produit ici inspecte l'ADN de la cellule. Si les chromosomes ne sont pas dupliqués, ou s'ils sont endommagés d'une manière ou d'une autre, la cellule interrompt le cycle cellulaire et tente de répliquer ou de réparer complètement les chromosomes, avant de poursuivre la mitose.

Point de contrôle de la métaphase de la mitose

Ce point de contrôle se produit pendant la mitose après l'alignement des chromosomes sur la plaque équatoriale, juste avant que l'anaphase ne sépare les chromosomes en ce qui deviendra les cellules filles. Ce point de contrôle garantit que les fuseaux mitotiques se sont correctement fixés aux chromosomes dupliqués au niveau des kinétochores.

Si les microtubules ne sont pas fixés correctement, les cellules filles peuvent se retrouver avec trop ou trop peu d'ADN, et la cellule interrompt la mitose jusqu'à ce que les fuseaux mitotiques soient fixés correctement. Si tout s'arrange, le cycle cellulaire se poursuivra en terminant la mitose et la cytokinèse.

Molécules régulatrices du cycle cellulaire

Alors que les points de contrôle font le point sur la cellule à certains moments prédéterminés, il existe également des molécules intracellulaires qui contribuent à pousser la cellule le long du cycle cellulaire ou à interrompre le cycle cellulaire si elles remarquent que quelque chose ne va pas. Les molécules qui aident à poursuivre le cycle cellulaire s'engagent dans une régulation positive, tandis que les molécules qui peuvent interrompre le cycle cellulaire s'engagent dans une régulation négative.

Régulation positive du cycle cellulaire

Les protéines clés qui contribuent à faire avancer le cycle cellulaire sont appelées cyclines et kinases dépendantes des cyclines (CDK). Il existe quatre cyclines dont la concentration varie pour aider à réguler le cycle cellulaire (figure 2). Lorsque leur concentration augmente dans la cellule, sous l'effet de signaux internes et externes, les cyclines contribuent à faire passer le cycle cellulaire à la phase suivante. Une fois que la cycline a initié la phase suivante, elle est rapidement dégradée.

Fig. 2 - La concentration des molécules de cycline au cours du cycle cellulaire

Les cyclines ne peuvent pas agir par elles-mêmes et doivent se lier à une CDK. Une fois que la cycline s'est liée à une CDK, elle doit également être phosphorylée par une autre kinase, pour activer le complexe cycline/CDK. Chaque complexe cycline/CDK phosphorylé a une forme spécifique pour se lier et phosphoryler la protéine suivante dans la régulation du cycle cellulaire (figure 3). Alors que la quantité de cycline fluctue beaucoup au cours du cycle cellulaire, la quantité de kinases dépendantes des cyclines reste relativement constante, mais inactive jusqu'à ce que leur protéine cycline spécifique soit présente pour poursuivre le cycle cellulaire.

Fig. 3 - La cycline et les kinases dépendantes des cyclines se lient et sont activées par la phosphorylation d'une autre kinase. Le complexe cycline/CDK activé peut alors activer sa protéine cible et faire avancer le cycle cellulaire

Régulation négative du cycle cellulaire

Les principales molécules de régulation négative du cycle cellulaire comprennent la protéine du rétinoblastome (pRB), p53 et p21. Ces protéines sont appelées suppresseurs de tumeurs, car elles ont été découvertes lors de l'étude des cellules cancéreuses, lorsque le cycle cellulaire se poursuit indéfiniment en ignorant les points de contrôle du cycle cellulaire. Les protéines pRB, p53 et p21 agissent principalement au niveau du point de restriction : le point de contrôle de la phase G1/S.