Biologie Cellulaire
Culture Cellulaire : Le cycle cellulaire
Une cellule accomplit un cycle lorsque quittant son état quiescent elle y retourne après s'être divisée ou entame une nouvelle division.
Chez un individu adulte, la prolifération est strictement limitée à la production des gamètes et au renouvellement cellulaire c'est-à-dire au remplacement des cellules endommagées, soit par l'usure normale, soit accidentellement par une agression (blessure, infection).
La plupart des cellules d'un organisme adulte sont donc quiescentes et leur machinerie synthétique peut se consacrer à l'accomplissement de leurs fonctions.
La prolifération y est normalement réprimée.
En réponse à des signaux mitogènes, elles vont quitter cet état et « entrer en cycle ». Elles en sortiront en une réponse à d'autres signaux, généralement des signaux de différenciation.
Le passage d'un état à un autre est strictement contrôlé. La perturbation des systèmes de contrôle entraîne une prolifération anarchique qui compromet la survie d'un organisme pluricellulaire.
Le processus de division cellulaire doit aboutir à la transmission d'un génome rigoureusement intact d'une génération cellulaire à la suivante, d'où la mise de points de contrôle (check points) aux passages clés : la cellule ne peut les franchir que si elle satisfait à certaines exigences indispensables à la transmission correcte d'un patrimoine génétiquement non erroné.
Les connaissances concernant le cycle cellulaire sont relativement récentes.
Elles ont d'abord été acquises à partir de modèles simples : les levures (Eucaryotes unicellulaires) et les oeufs amphibiens (Xénope en particulier).
La conservation des mécanismes essentiels à la vie au cours de l'évolution, fait que le cycle cellulaire se déroule de façon similaire chez tous les Eucaryotes, de la levure à l'homme.
Des études effectuées sur les cellules de mammifères en culture ont permis d'en préciser les particularités chez les Eucaryotes supérieurs.
Les étapes du cycle cellulaire
- La phase G0 (G pour GAP) est une phase de quiescence dont la durée varie avec le type de cellules, de quelques secondes à quelques années, voire toute une vie pour les neurones. Branchée sur Gl, cette phase est très différente des autres : le taux de synthèse protéique y est réduit à 20% de celui des cellules en profilération.
- La phase Gl dure de 10h à quelques jours, c'est une phase de synthèse protéique très active. La cellule élabore tous les matériaux nécessaires à la construction d'une seconde cellule, sauf l'A.D.N. répliqué pendant la phase S.
En fin de Gl, se situe le point de restriction (pont r ou de non retour ou Start). Au delà de ce point, la cellule devient insensible aux signaux provenant de son environnement et s'engage définitivement dans le cycle de division.
Un point de contrôle situé à la transition Gl/S permet à la cellule de réparer un A.D.N. endommagé avant d'en entreprendre la réplication. - La phase S correspond à la duplication de l'A.D.N. Elle dure environ 6 heures. En fin de phase S, le contenu en A.D.N. d'une cellule diploïde a doublé. Un troisième point de contrôle bloque en S une cellule dont l'A.D.N. serait imparfaitement répliqué.
- La phase G2 dure environ 4 heures. Elle prépare l'appareil mitotique. Un point de contrôle important se situe à l'interface G2/M.
Ces différentes étapes constituent l'interphase du cycle cellulaire qui dure environ 23 heures pour une cellule animale en prolifération. - La phase M, Mitose proprement dite, débute avec la condensation de la chromatine et s'achève avec la séparation des deux cellules filles, identiques au plan de l'information génétique. Elle dure approximativement 1 heure et comporte un dernier point de contrôle dit du « fuseau » qui permet de bloquer la division si les chromosomes ne sont pas correctement alignés sur le fuseau.
La cellule va passer par ces différentes phases dans un ordre chronologique précis, entraîné par une machinerie biochimique comportant des moteurs, des freins, des systèmes de blocage.
Le moteur du cycle cellulaire
Il est essentiellement constitué de deux catégories de protéines : les cyclines et les kinases cycline dépendantes (C.D.Ks).
Les cvclines
Leur nom provient du fait que leur concentration intracellulaire présente des oscillations périodiques au cours du cycle cellulaire.
Elles possèdent un site qui permet leur association à une kinase spécifique et une boîte de destruction, reconnue par l'ubiquitine qui initie leur protéolyse.
On les regroupe en deux lots : les cyclines G et les cyclines mitotiques.
1- Les cyclines Gl: Chez l'homme, on en a identifié 5 types différents. Absentes de cellules au repos, elles apparaissent quand la cellule quitte son état quiescent.
2- Les cvclines mitotiques
Les kinases cvcline dépendantes
Ce sont des enzymes qui transfèrent spécifiquement un groupement phosphate (phosphorylation) sur l'hydroxyle d'une serine ou d'une thréonine.
Une dizaine de C.D.Ks ont été identifiées, parmi lesquelles 7 sont mieux connues.
Les complexes actifs C.D.K./Cvcline
La plupart ne sont actifs que durant une période précise du cycle cellulaire. Ils constituent le véritable moteur du cycle en réglant la progression chronologique de la cellule d'une étape à la suivante. Le temps nécessaire à leur montage, à leur activation puis à leur inactivation détermine la durée d'une étape.
Le contrôle du cycle cellulaire
Chez les organismes supérieurs, la plupart des activités physiologiques sont soumises à un mécanisme intégrateur, coordonnateur et régulateur. Ce mécanisme, complexe, comporte généralement un système activateur et un système rétrocontrôle inhibiteur.
Dans le cas de la division cellulaire, le système activateur répond à un besoin exprimé par l'organisme : réparation de tissus endommagés, remplacement des cellules sénescentes. Le système rétrocontrôle s'assure que la réponse est adaptée au besoin exprimé et uniquement à ce besoin,, que la réparation restaure effectivement l'intégrité de l'organisme.
La « lutte d'influence » entre système activateur et inhibiteur se concrétise par le passage ou l'arrêt de la cellule au niveau points de contrôle qui balisent le cycle.
Le système activateur
Il agit par l'intermédiaire de signaux mitogènes
Nature des signaux mitogènes
D'origine extra cellulaire, ils agissent lorsque la cellule est reliée à son environnement et tant qu'elle n'a pas franchi le point R.
Ce sont les facteurs de croissance, de nature protéique ou hormonale. Ils incitent une cellule, qui dispose par ailleurs de facteurs nutritifs suffisants à quitter son état quiescent.
Plus de 50 facteurs de croissance ont été répertoriés. Plusieurs d'entre eux agissent pour une même cellule. Un même facteur peut être incitateur pour un type de cellule, inhibiteur pour un autre. Pour une même cellule, un facteur peut agir positivement à une concentration définie et négativement à une concentration différente. L'ensemble de ces caractéristiques permet une régulation fine du
cycle.
Mode d'action des signaux extra-cellulaires
Les facteurs de croissance (Growth Factors) se lient à des récepteurs spécifiques membranaires, cytoplasmiques ou nucléaires. Les signaux mitogènes agissent à travers des réseaux de transduction très complexes couplés au cycle.
Seules les cellules possédant le récepteur spécifique d'un facteur de croissance peuvent répondre à ce facteur.
La fixation du ligand à son récepteur déclenche une cascade de réactions intra cellulaires (transduction) qui entraîne des modifications de la localisation intra cellulaire, de la concentration et de l'activité de protéines cibles directement impliquées dans la machinerie du cycle. Finalement, l'expression de gènes cibles se trouve induite ou modifiée.
Le système inhibiteur
Il a pour mission de bloquer la progression dans le cycle d'une cellule anormale ou d'obliger une cellule qui s'est divisée à sortir du cycle.
Il va donc s'opposer en Gl précoce aux signaux mitogènes véhiculés par les réseaux de transduction couplés au cycle et s'opposer aux éléments moteurs aux check points (R, Gl /S, G2/M et M).
Les réseaux agissent par l'intermédiaire de protéines capables :
- d'empêcher la phosphorylation de Rb et donc la levée d'inhibition
- d'empêcher la liaison cycline/CDK
- de désactiver les complexes cycline/CDK (CKls = inhibiteurs des kinases dépendantes des cyclines)
- de bloquer l'ADN polymérase et donc d'empêcher ou d'interrompre la synthèse d'A.D.N.
Ces protéines effectrices sont les cibles de signaux extra cellulaires ou intra cellulaires.
[Les signaux extra cellulaires sont efficaces tant que la cellule est sensible à son environnement c'est-à-dire en amont du point R].
[Les signaux intra cellulaires (A.D.N. endommagé, A.D.N. imparfaitement répliqué, assemblage incorrect de l'appareil mitotique) prennent le relais des précédents aux check points].
L'effet inhibiteur, suivant la protéine mise en jeu, se traduira par un arrêt de la cellule en différents points du cycle.
L'arrêt peut être transitoire pour permettre à la cellule de réparer les erreurs ou définitif. Dans ce cas la cellule s'oriente vers la différenciation ou la mort cellulaire programmée (apoptose).
Conclusion
Les facteurs mitogènes, par l'intermédiaire de réseaux de transduction complexes, lèvent l'inhibitior de la prolifération normalement présente dans les cellules de l'organisme adulte. La cellule va franchir dans un ordre chronologique déterminé, les différentes étapes du cycle. Elk est entraînée par les éléments moteurs complexes cycline/kinase activés par phosphorylation. Le; complexes sont spécifiques d'une phase et leur dégradation protéolytique permet l'achèvement de celle-ci. C'est la régulation positive du cycle. Un rétrocontrôle négatif s'exerce tout au long dv cycle. D permet de bloquer la cellule en certains points (check points) évitant qu'une cellule qu présente des anomalies puisse boucler le cycle. Ces mécanismes inhibiteurs se déclenchent réponse à des signaux provenant de l'environnement de TA.D.N. ou du fuseau. Ils agissent par l'intermédiaire de protéines contrôlant l'expression des gènes de prolifération ou désactivant les complexes moteurs.
Une mutation, une délétion, une expression anormale des gènes intervenant à un niveau quelconque du système de régulation peut entraîner une prolifération anarchique.
