Interphase

Une cellule croît et accomplit toutes ses fonctions et processus métaboliques normaux pendant une période appelée G₁ (Figure 3.30). La phase G1 (G1 phase) (phase d'intervalle 1 ou de croissance 1) est la première phase d'intervalle ou de croissance du cycle cellulaire. Pour les cellules qui se diviseront à nouveau, la phase G1 est suivie de la réplication de l'ADN, pendant la phase S. La phase S (S phase) (phase de synthèse) est la période pendant laquelle une cellule réplique son ADN.

Figure 3.30 Cycle cellulaire Les deux phases majeures du cycle cellulaire comprennent la mitose (désignée M), lorsque la cellule se divise, et l'interphase, lorsque la cellule croît et exécute toutes ses fonctions normales. L'interphase est subdivisée en phases G₁, S et G₂.

Après la phase de synthèse, la cellule passe par la phase G₂. La phase G2 (G2 phase) est une deuxième phase d'intervalle, pendant laquelle la cellule continue de croître et effectue les préparations nécessaires à la mitose. Entre les phases G₁, S et G₂, les cellules varient le plus en termes de durée de leur phase G1. C'est là qu'une cellule peut passer quelques heures, ou plusieurs jours. La phase S dure généralement entre 8 et 10 heures et la phase G₂ environ 5 heures. Contrairement à ces phases, la phase G0 (G0 phase) est une phase de repos du cycle cellulaire. Les cellules qui ont temporairement cessé de se diviser et sont au repos et les cellules qui ont définitivement cessé de se diviser sont dites en G₀.

La structure des chromosomes

Des milliards de cellules du corps humain se divisent chaque jour. Pendant la phase de synthèse (S, pour synthèse d'ADN) de l'interphase, la quantité d'ADN dans la cellule double précisément. Par conséquent, après la réplication de l'ADN mais avant la division cellulaire, chaque cellule contient en fait deux copies de chaque chromosome. Chaque copie du chromosome est appelée chromatide sœur (sister chromatid) et est physiquement liée à l'autre copie. (Notez que le terme « chromatide sœur » est utilisé quel que soit le sexe de la personne.) Le centromère (centromere) est la structure qui attache une chromatide sœur à une autre. Comme une cellule humaine possède 46 chromosomes, pendant cette phase, il y a 92 chromatides (46 × 2) dans la cellule. Assurez-vous de ne pas confondre le concept d'une paire de chromatides (un chromosome et sa copie exacte attachée pendant la mitose) et une paire de chromosomes homologues (deux chromosomes appariés qui ont été hérités séparément, un de chaque parent) (Figure 3.31).

Figure 3.31 Une paire de chromosomes homologues avec leurs chromatides sœurs attachées Les couleurs rouge et bleue correspondent à une paire de chromosomes homologues. Chaque membre de la paire a été hérité séparément d'un parent. Chaque chromosome de la paire homologue est également lié à une chromatide sœur identique, produite par la réplication de l'ADN, et qui donne la forme familière en « X ».

Mitose et cytokinèse

La phase mitotique (mitotic phase) de la cellule dure généralement entre 1 et 2 heures. Pendant cette phase, une cellule subit deux processus majeurs. Premièrement, elle achève la mitose, au cours de laquelle le contenu du noyau est équitablement séparé et distribué entre ses deux moitiés. La cytokinèse se produit ensuite, divisant le cytoplasme et le corps cellulaire en deux nouvelles cellules. La mitose est divisée en quatre étapes majeures qui ont lieu après l'interphase (Figure 3.32) et dans l'ordre suivant : prophase, métaphase, anaphase et télophase. Le processus est ensuite suivi de la cytokinèse.

Figure 3.32 Division cellulaire : Mitose suivie de cytokinèse Les étapes de la division cellulaire supervisent la séparation du matériel génétique identique en deux nouveaux noyaux, suivie de la division du cytoplasme.

La prophase (Prophase) est la première phase de la mitose, au cours de laquelle la chromatine lâchement empaquetée s'enroule et se condense en chromosomes visibles. Pendant la prophase, chaque chromosome devient visible avec son partenaire identique attaché, formant la forme familière en X des chromatides sœurs. Le nucléole disparaît tôt pendant cette phase, et l'enveloppe nucléaire se désintègre également.

Un événement majeur pendant la prophase concerne une structure très importante qui contient le site d'origine de la croissance des microtubules. Rappelons les structures cellulaires appelées centrioles qui servent de points d'origine à partir desquels les microtubules s'étendent. Ces minuscules structures jouent également un rôle très important pendant la mitose. Un centrosome (centrosome) est une paire de centrioles réunis. La cellule contient deux centrosomes côte à côte, qui commencent à s'éloigner l'un de l'autre pendant la prophase. Au fur et à mesure que les centrosomes migrent vers deux côtés différents de la cellule, les microtubules commencent à s'étendre de chacun comme de longs doigts de deux mains s'étendant l'une vers l'autre. Le fuseau mitotique (mitotic spindle) est la structure composée des centrosomes et de leurs microtubules émergents.

Vers la fin de la prophase, il y a une invasion de la zone nucléaire par les microtubules du fuseau mitotique. La membrane nucléaire s'est désintégrée, et les microtubules s'attachent aux centromères qui joignent les paires de chromatides sœurs. Le kinétochore (kinetochore) est une structure protéique sur le centromère qui est le point d'attachement entre le fuseau mitotique et les chromatides sœurs. Cette étape est appelée prophase tardive ou « prométaphase » pour indiquer la transition entre la prophase et la métaphase.

La métaphase (Metaphase) est la deuxième étape de la mitose. Pendant cette étape, les chromatides sœurs, avec leurs microtubules attachés, s'alignent le long d'un plan linéaire au milieu de la cellule. Une plaque métaphasique se forme entre les centrosomes qui sont maintenant situés à chaque extrémité de la cellule. La plaque métaphasique (metaphase plate) est le nom donné au plan passant par le centre du fuseau sur lequel les chromatides sœurs sont positionnées. Les microtubules sont maintenant prêts à séparer les chromatides sœurs et à amener une de chaque paire à chaque côté de la cellule.

L'anaphase (Anaphase) est la troisième étape de la mitose. L'anaphase se déroule sur quelques minutes, lorsque les paires de chromatides sœurs sont séparées l'une de l'autre, formant à nouveau des chromosomes individuels. Ces chromosomes sont tirés vers les extrémités opposées de la cellule par leurs kinétochores, à mesure que les microtubules raccourcissent. Chaque extrémité de la cellule reçoit un partenaire de chaque paire de chromatides sœurs, garantissant que les deux nouvelles cellules filles contiendront un matériel génétique identique.

La télophase (Telophase) est la dernière étape de la mitose. La télophase est caractérisée par la formation de deux nouveaux noyaux filles à chaque extrémité de la cellule en division. Ces noyaux nouvellement formés entourent le matériel génétique, qui se déroule de sorte que les chromosomes retrouvent une chromatine lâchement empaquetée. Les nucléoles réapparaissent également à l'intérieur des nouveaux noyaux, et le fuseau mitotique se désintègre, chaque nouvelle cellule recevant son propre complément d'ADN, d'organites, de membranes et de centrioles. À ce stade, la cellule commence déjà à se diviser en deux alors que la cytokinèse débute.

Le sillon de segmentation (cleavage furrow) est une bande contractile composée de microfilaments qui se forme autour de la ligne médiane de la cellule pendant la cytokinèse. (Rappelons que les microfilaments sont constitués d'actine.) Cette bande contractile comprime les deux cellules jusqu'à ce qu'elles se séparent finalement. Deux nouvelles cellules sont maintenant formées. L'une de ces cellules (la « cellule souche ») entre dans son propre cycle cellulaire ; capable de croître et de se diviser à nouveau à un moment futur. L'autre cellule se transforme en cellule fonctionnelle du tissu, remplaçant généralement une « vieille » cellule.

Imaginez une cellule qui a terminé la mitose mais n'a jamais subi de cytokinèse. Dans certains cas, une cellule peut diviser son matériel génétique et augmenter de taille, mais ne pas subir de cytokinèse. Cela entraîne des cellules plus grandes avec plus d'un noyau. Habituellement, il s'agit d'une aberration indésirable et cela peut être un signe de cellules cancéreuses.

Mécanismes de contrôle du cycle cellulaire

Au fur et à mesure que la cellule progresse dans son cycle, chaque phase implique certains processus qui doivent être achevés avant que la cellule ne puisse passer à la phase suivante. Un point de contrôle (checkpoint) est un point du cycle cellulaire auquel le cycle peut être signalé pour avancer ou être arrêté. À chacun de ces points de contrôle, différentes variétés de molécules fournissent les signaux d'arrêt ou de démarrage, en fonction de certaines conditions à l'intérieur de la cellule. Une cycline (cyclin) est l'une des principales classes de molécules de contrôle du cycle cellulaire (Figure 3.33). Une kinase dépendante des cyclines (CDK) (cyclin-dependent kinase (CDK)) est l'un des groupes de molécules qui travaillent avec les cyclines pour déterminer la progression au-delà des points de contrôle cellulaires. En interagissant avec de nombreuses molécules supplémentaires, ces déclencheurs font avancer le cycle cellulaire à moins d'être empêchés de le faire par des signaux « stop », si pour une raison quelconque la cellule n'est pas prête. Au point de contrôle G₁, la cellule doit être prête pour que la synthèse de l'ADN se produise. Au point de contrôle G₂, la cellule doit être entièrement préparée pour la mitose. Même pendant la mitose, un point de contrôle crucial d'arrêt et de démarrage en métaphase garantit que la cellule est entièrement préparée à achever la division cellulaire. Le point de contrôle de la métaphase garantit que toutes les chromatides sœurs sont correctement attachées à leurs microtubules respectifs et alignées sur la plaque métaphasique avant que le signal ne soit donné de les séparer pendant l'anaphase.

Figure 3.33 Contrôle du cycle cellulaire Les cellules progressent à travers le cycle cellulaire sous le contrôle d'une variété de molécules, telles que les cyclines et les kinases dépendantes des cyclines. Ces molécules de contrôle déterminent si la cellule est prête ou non à passer à l'étape suivante.

Le cycle cellulaire hors de contrôle : Implications

La plupart des gens comprennent que le cancer ou les tumeurs sont causés par des cellules anormales qui se multiplient continuellement. Si les cellules anormales continuent de se diviser sans arrêt, elles peuvent endommager les tissus environnants, se propager à d'autres parties du corps et finalement entraîner la mort. Dans les cellules saines, les mécanismes de régulation stricts du cycle cellulaire empêchent cela de se produire, tandis que les défaillances du contrôle du cycle cellulaire peuvent provoquer une division cellulaire indésirable et excessive. Les défaillances de contrôle peuvent être causées par des anomalies génétiques héréditaires qui compromettent la fonction de certains signaux « stop » et « go ». Les agressions environnementales qui endommagent l'ADN peuvent également provoquer un dysfonctionnement de ces signaux. Souvent, une combinaison de prédisposition génétique et de facteurs environnementaux conduit au cancer.

Le processus par lequel une cellule échappe à son système de contrôle normal et devient cancéreuse peut en fait se produire assez fréquemment dans tout le corps. Heureusement, certaines cellules du système immunitaire sont capables de reconnaître les cellules devenues cancéreuses et de les détruire. Cependant, dans certains cas, les cellules cancéreuses restent indétectables et continuent de proliférer. Si la tumeur résultante ne représente pas une menace pour les tissus environnants, elle est dite bénigne et peut généralement être facilement retirée. Si elle est capable de causer des dommages, la tumeur est considérée comme maligne et le patient est diagnostiqué avec un cancer.