LE CYCLE CELLULAIRE. d'après le cours de B. Arcangioli

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1 LE CYCLE CELLULAIRE d'après le cours de B. Arcangioli INTRODUCTION Tous les organismes sont constituées de cellule qui se multiplie par division cellulaire. Un adulte humain a environ milliard de cellules, toutes originaires d'une même cellule, la cellule œuf fertilisée. Chez un adulte, on trouve une quantité énorme de cellules en division continue remplaçant celles qui disparaissent. Avant qu'une cellule puisse se diviser, il faut qu'elle grandisse jusqu'à une certaine taille, qu'elle duplique ses chromosomes, qu'elles séparent ses chromosomes avec une distribution exacte entre les 2 cellules filles. Tous ces processus sont coordonnée durant le cycle cellulaire. Vue générale du cycle cellulaire Les 3 lauréats du prix Nobel de Physiologie & Médecine en 2001 ont fait une découverte fondamentale concernant le contrôle du cycle cellulaire : ils ont identifié les molécules clés qui régulent le cycle cellulaire 1

2 chez tous les organismes eucaryotes, incluant les plantes, les levures, les animaux et les humains. Ces découvertes fondamentales ont eu un grand impact sur tous les aspects de la croissance cellulaire. Des déficiences dans le contrôle cellulaire peuvent mener à des types d'altérations chromosomiques vu dans les cellules cancéreuses : ceci ouvre à long terme de nouvelles possiblités sur le traitement du cancer. Leland Hartwell (né en 1939) du Fred Hutchinson Research Center, Seattle, Etats-Unis : Il a été récompensé pour ses découvertes de classes de gènes spécifiques qui contrôle le cycle cellulaire. Un de ces gènes appelé "start" a été trouvé comme ayant un rôle centrale dans le contrôle de la première étape de chaque cycle cellulaire. Hartwell a également introduit le concept de "checkpoint", qui permet de comprendre le cycle cellulaire. Paul Nurse (né en 1949), de l'imperial Cancer Research Fund, Londre, Grande Bretagne : Il a identifié, cloné et caractérisé par des méthodes de biologie moléculaire et génétique l'un des régulateurs clé de du cycle cellulaire, la CDK (Cyclin Dependent Kinase). Il a montré que laa fonction de la CDK été hautement conservé durant l'évolution. La CDK dirige le cycle cellulaire de la cellule par la modification chimique (phospohorylation) d'autres protéines. Timothy Hunt (né en 1943), de l'imperial Cancer Research Fund, Londre, Grande Bretagne : il a été récompensé pour sa découverte sur les cyclines, des protéines qui régulent la fonction du CDK. Il a montré que les cyclines sont dégradées périodiquement à chaque division, un mécanisme prouvant l'importance générale du cycle cellulaire. I- UN MILLIARD DE CELLULES PAR GRAMME DE TISSU Les cellules ayant leurs chromosomes localisés dans le noyau et séparés du reste de la cellule, appelé aussi cellules eucaryotes (les cellules procatyotes non pas de noyau), sont apparues sur Terre il y a environ deux muilliard d'années. Les organisme constitués par ces cellules peuvent être unicellulaire, comme les levures ou les amibes, ou multicellulaire, comme les plantes ou les animaux. Le corps humain contient un nombre énorme de cellules, d'une quantité d'environ un milliard de cellules par gramme de tissu. Chaque noyau cellulaire contient notre matériel héréditaire entier (l'adn), localisé dans 46 chromosomes (23 paires de chromosomes). Il été connu depuis plus de cent ans que les cellules se multiplient par division. C'est pourtant au cours des vingts dernières années qu'il est devenu possible d'identifier les mécanismes qui régule le cycle cellulaire et par extension la division cellulaire. Ces mécanismes fontamentaux sont hautement conservés à travers l'évolution et opèrent de la même manière chez tous les organismes eucaryotes. 2

3 II- LES PHASES DU CYCLE CELLULAIRE Le cycle cellulaire consiste en plusieurs phase : Durant la première phase (phase G 1 ), la cellule croit et devient plus large. Il y a synthèse des protéines. Lorqu'elle atteind une certaine taille, elle entre dans la deuxième phase (phase S), dans laquelle débute la synthèse de l'adn. On ne connait pas les mécanismes permettant le passage de la phase G 1 à la phase S. La cellule duplique sont matériel héréditaire (réplication de l'adn) et une copie de chacun de ses chromosomes est effectuée. Durant la phase suivante (phase G 2 ), la cellule contrôle que la réplication de l'adn a bien été réalisée (réparation post-réplicative) et prépare la division cellulaire. Les chromosomes sont séparés (phase M pour Mitose) et la cellule se divise en deux cellules filles. A travers ce mécanisme, les deux cellules filles sont dotées des mêmes chromosomes que ceux de la cellule mère. Après la division, les cellules retournent en phase G 1 et le cycle cellulaire est bouclé. La durée du cycle cellulaire varie entre les différent type de cellule (chez l'homme, il existe plus de 200 types cellulaires). Chez la plus part des cellules de mammifère, celà dure entre 10 et 30 heures. Les cellules en phase G 1 ne poursuivent pas toujours le cycle cellulaire. Elles peuvent quitter le cycle cellulaire et et entrer en phase d'attente (phase G 0 ). III- LE CONTROLE DU CYCLE CELLULAIRE Pour les organismes eucaryotes vivant, il est indispensable que les différentes phases du cycle cellulaire soient précisemment coordonées. Les phases doivent suivre un ordre correct, et une phase doit être terminé avant que la phase suivante ne démarre. Les erreurs de coordination peuvent conduire à des altérations chromosomiques. Des chromosomes ou des parties de chromosomes peuvent être perdus, réarrangés ou ditribués de manière inéquitables entre les deux cellules filles. Ces types d'altérations chromosomiques sont souvent observées chez les cellules cancéreuses. C'est Leland Hartwell qui, par des méthodes d'étude génétique sur Saccarymyces cerevisae, identifia une centaine de gène impliqué spécifiquement dans le contrôle du cycle cellulaire : ces gènes sont appelés gènes CDC (Cell Divison Cycle). Un de ces gènes, appelé CDC28, contrôles la première étapes de progression vers la phase G 1 et fût pour celà appelé gène"start". Paul Nurse découvrit chez la levure Schizzosacharomyces pombe un gène équivalent à celui trouvé par Leland Hartwell, contrôlant la transition G 1 /S, mais également la transition G 2 /M. Il a montré ensuite que ce gène contrôle également d'autre phases du cycle cellulaire. En 1987, il découvre son équivalent humain, qu'il appelle CDK1 (Cyclin Dependent Kinase 1). Ce gène encode pour une protéine qui est membre de la famille des CDK (Cyclin Dependent Kinase). Paul Nurse montre également que l'activation des CDK est dépendante d'une phosphorylation réversible. Il a depuis été trouvé une douzaine de molécules de CDK différentes chez l'homme. 3

4 Ceux sont donc les gènes CDK, chez l'homme, qui contrôle les différents passage du cycle cellulaire, et la concentration des protéines CDK ne varie pas. Tim Hunt découvre au début des année 80 les premières molécules de cyclines. Les cyclines sont des protéines formées et dégradées au cours du cycle cellulaire. Elles ont été appelé cycline car le concentration varie périodiquement au cours du cycle cellulaire. Les cyclines se fixent sur les molécules de CDK, régulant l'activité des CDK en phosphorylant les protéines. La dégradation périodique de ces protéines est un mécanisme important du contrôle du cycle cellulaire. Les cyclines, comme les CDK, ont été conservées chez toutes les espèces au cours de l'évolution. On dénombre aujourd'hui 10 cyclines différentes chez l'homme. Vue générale de la régulation du cycle cellulaire par les complexe cyclines/cdk 4

5 A - Fonctions des différents complexes cdk/cycline Les principaux complexes CDK/Cyclines dans cycle cellulaire 1- Les cdk associées aux cyclines de G1 La progression en phase G1 nécessite la participation des cyclines de type D qui répondent aux facteurs de croissance au niveau du point de restriction, moment où la cellule prend la décision d'entrer en phase S. Les kinases cyclines D-dépendantes (cdk lié à la cycline D) phosphorylent entre autre le produit de l'antioncogène Rb (protéine du rétinoblastome), permettant in vivo la libération de facteurs de transcription (e2f et DP1) qui contrôlent l'expression de protéines requise pour la phase S) Cdk3 dont la cycline associée n'a pas encore été identifiée est nécessaire à la transition G1/S dans les cellules de mamifère, Cdk3 activant les facteurs de transcription e2f-1, e2f-2 et e2f-3. Le complexe cdk2/cycline E est un des acteurs principaux de la phase S. Une de ses fonctions se situerait au niveau de l'initiation de la synthèse de l'adn. Ce complexe est la cible des facteurs antiprolifératifs tel le facteur TGF-β (Transforming Growth Factor β) qui bloque le cycle en phase G1. Ce complexe contrôle également la transcription via l'hyperphosphorylation de Rb. La cycline E est rapidement dégradé dès que la réplication débute. La cycline A, également appelé "cycline mitotique", intervient au début de la réplication en s'associant à cdk2. Ce complexe est nécessaire pour la poursuite de la réplication de l'adn. Le complexe cdk2/cycline A contrôle également la durée de la phase S en inactivant les facteurs e2f et DP1 par phosphorylation. 2- Les cdk associées aux cyclines mitotiques La cycline A, associée à cdc2, intervient dans la préparation de la mitose. L'entrée en phase M est gouvernée par le complexe cdc2/cycline B. Ce complexe, responsable de la dissolution des lamines nucléaire qui entraîne la rupture de l'enveloppe du noyau à la mitose, intervient également dans la condensation de la chromatine et dans l'organisation du fuseau de division. Il interviendrait également dans la cytokénèse. Outre les protéines structurales, cdc2/cycline B phosphoryle également un grand nombre de protéines régulatrices, comme des kinases et des phosphatases. 5

6 3- Les autres complexes cdk/cycline Il existe d'autre complexe cdk/cycline dont voici quelques exemples: -cdk7/cycline H, qui intervient à plusieurs phase du cycle en temps qu'activateur des cdk. -cdk5/p35 (p35 est un régulateur non apparenté aux cyclines), intervenant dans les mécanismes de différenciation neuronales -cdk9/cycline T, qui interagit directement avec la protéine Tat du VIH. B - Régulation des cdk Les cdk sont régulées par des mécanismes d'activation et d'inhibition. Les mécanismes activateurs des cdk comprennent d'une part la liaison de la kinase à la cycline et d'autre part, la phosphorylation du résidus activateur conservé dans la famille des cdk (par exemple Thr-161 pour cdc2). Les mécanismes inhibiteurs interviennent à des degrès divers selon les cdk. Il peut s'agir de phosphorylation de résidus inhibiteurs (par exemple Thr-14 et Tyr-15 pour cdc2) ou encore d'interaction entre les complexes cdk/cycline et les CKI (Cyclin Dependant Kinase Inhibitor). 1- Régulation des cdk par les cyclines L'importance des cyclines dans la régulation des cdk s'établit à différent niveaux: l'activation, la spécificité du substrat et la localisation intracellulaire des cdk. 1-1 Régulation des cyclines Les cyclines, la cycline D mis à part, sont caractérisées par leur apparitions périodiques à des moments précis du cycle. Ces variations sont fonctions des niveaux de transcription des ARNm et de dégradation des cyclines. Le facteur de transcription e2f stimule la transcription des cyclines E et A en phase S. Or, ceux sont les kinases cyclines D-dépendantes qui permettent in vivo la libération du facteurs de transcription e2f. D'une manière générale, les cyclines favorisent donc l'expression des cyclines de la phase suivante et répriment l'expression ou favorisent la dégradation des cyclines de la phase précédente. Des mécanismes de dégradation des cyclines sont mis en place afin d'assurer la progression de la cellule dans le cycle. La protéolyse d'une cycline est indispensable à l'inactivation de la cdk associée. Le mécanisme de destruction fait intervenir une "boite de destruction" qui semble marquer la cycline pour la fixation de molécules d'ubiquitine (phénomène d'ubiquitination). 6

7 Les cyclines, ainsi que d'autres protéines telles que CKI, sont dégradées par protéolyse. Grâce aux enzymes E1, E2 et E3, les molécules d'ubiquitine se fixent au substrat. Celui-ci qui est alors reconnu par le protéasome 26S ce qui entraine la dégradation de la cycline et l'inactivation de la cdk. En dehors de la cycline D, plus stable, les cyclines de la phase G1 ont une durée de vie très courte. Cette instabilité serait due à la présence de la séquence PEST. La protéolyse des cyclines de phase G1 fait appel aux molécules d'ubiquitine. Il faut égalment queles cycline E soient phosphorylées. La dégradation des cycline G1 requiet, chez S. Cerevisiae, l'enzyme de conjugaison CDC34 (ou E2) dont l'activité dépend de l'état de phosphorylation de ces substrats. Cette voie semble être conservé chez les vertébrés. Les cyclines jouant un rôle en sortie de mitose sont elles dégradé par la voie d'ubiquitination faisant intervenir le complexe APC (pour Anaphase Promoting Complex ou E3) Deux voies de dégradation sont donc impliquées dans la progression du cyle cellulaire : l'une impliquant cdc34 (ou E2) en G1/S, l'autre impliquant le complexe APC (ou E3) à la sortie de la mitose. 1-2 Activation des cdk par les cyclines L'activité des cdk est régulées de façon post-transcriptionnelle par leur liaison aux cyclines. Cette régulation est due à des changements de conformation des cdk engendrées par la liaison cdk-cycline. Cette liason engendre des changements conformationnels de la cdk permettant l'accés au site catalytique et rendant possible les phosphorylations activatrices et inhibitrices en ce qui concerne certaine cdk. 1-3 Influence des cyclines sur la spécificité de substrat Différents exemples témoignent de l'implication des cyclines dans la détermination des substrats de cdk. Par exemple, le complexe cdk2/cycline A phosphorylent 10 fois plus efficacement la protéine p107 (apparentée à prb) que le complexe cdk2/cycline B 1. Ceci serait dû à une association directe entre p107 et la cycline A. Ainsi, les cyclines sont aussi importantes que la sous unité catalytique dans le contrôle de la phosphorylation d'un substrat donné. 1-4 Influence des cyclines sur la localisation intracellulaire La localiation intracellulaire des complexes cdk/cycline dépend de la cycline elle-même. C'est le cas, par exemple, de la cycline B qui possède un domaine CRS (Cytoplasmique Retention Signal) impliqué dans la rétention du complexe dans le cytoplasme avant la translocation dans le noyau. 2- Régulation par phosphorylation Les 2 sous-unités cdk et cyclines sont sujettes à des changements de phosphorylation. Si la régulation de la 7

8 phosphorylation des cyclines n'est pas bien comprise, il n'en est pas de même de celle des cdk. L'activité des cdk est régulées par les phosphorylations activatrices (sur le residus Thréonine ou Sérine selon des cdk) et les phosphorylationinhibitrices (sur le résidus Tyrosine et/ou Thréonine). Régulation des complexes cdk/cyclines par phosphorylation Il existe en fait 2 niveau de régulation par phosphorylation des complexes cdk/cyclines : une phosphorylation inhibitrice ou activatrice (ou une déphosphorylation) directe sur les cdk, ou bien une régulation indirecte via la phosphorylation inhibitrice ou activatrice des complexes régulateurs Il existe en outre 2 type de phophorylation : des phosphorylation inhibitrice, et des phosphorylation activatrice des complexes, ces phosphorylation n'agissant pas sur les même résidus. 8

9 Prenons l'exemple de la régulation de l'activation du complexe cdc2/cycline B: Activation du complexe par phosphorylation activatrice de la Thréonine161 de cdc2 par CAK (Cdk Activating Kinase) Inhibition du complexe par déphosphorylation de la Thréonine161 de cdc2 et phosphorylation inhibitrice de la Tyrosine15 par coopération des kinases Wee1 er Mik1 Inhibition du complexe par déphosphorylation de la Thréonine161 de cdc2 et phosphorylation inhibitrice de 9

10 des résidus Tyrosine 15 et Thréonine 14 par la kinase Myt1. Ce complexe inhibé peut être réactivé par cdc25 qui déphosphoryle les résidus Tyrosine 15 et Thréonine 14 Dans cet exemple, Wee1 et Mik1 inhibe le complexe cdc2/cycline B. Mais ces kinases peuvent être également inhibées par phophorylation inhibitrice par cdr/nim1, empêchant ainsi leurs action de phosphorylation inhibitrice sur le complexe cdc2/cycline B. L'action de cdc2 résulte alors de l'inhibition des kinases Wee1 et Mik1 et de l'activation de la phosphatase cdc Régulation par les CKI (Cyclin Dependant Kinase Inhibitor) Un troisième niveau de régulation des complexes cdk/cyclines est apparu avec la découverte des inhibiteurs de cdk, les CKI. L'intervention des CKI permet de comprendre comment les signaux extra- et intracellulaires régulent la progression du cycle cellulaire. D'autre part, le fait que les CKI soient, soit des suppresseurs de tumeurs soit régulé par ceux-ci, permet d'établir le lien entre le cycle et le développement des tumeurs. Les CKI exercent leur activité inhibitrice en s'associant avec les cdk ou le complexe cdk/cycline. Elles peuvent bloquer l'engagement d'une phase mais peuvent également agir au cours d'une phase du cycle cellulaire. Les CKI sont réparties en deux groupes : la famille des Ink4 (Inhibitor of cdk4) qui comprend différent membre et la famille Cip/Kip représentée par p21 Cip1, p27 Kip1 et p57 Kip2. Prenons l'exemple de la CKI p21 Cip1. Le taux de p53 augmente lorsque l'adn est endommagé. p53 peut alors conduire la cellule vers l'apoptose ou stimuler la réparation de l'adn ou provoquer l'arrêt du cycle. L'arrêt en G 1 est en effet induit par p53 qui active la transcription du gène Cip1 codant pour p21, inhibiteur de cdk/cyclines Il est a noté que p21 n'est pas le seul médiateur de p53. p21 serait plutôt impliqué dans les processus de différenciation en tant que promoteur de l'arrêt du cycle. 10

11 C- Les inhibiteurs chimiques de cdk Les cdk sont régulées par l'intervention de molécules activatrices ou inhibitrices, à des moments précis du cyle cellulaire. Les inhibiteurs chimiques des cdk sont susceptibles d'agir sur leurs cibles en interférant avec la liaison aux substrats ou à l'atp, en interagissant avec les sites activateurs des cdk, en empêchant l'activation par les cyclines, en mimant l'activation des CKI, en agissant sur le mécanisme de destruction des cyclines ou en intervenant dans la localisation cellulaire du comlexe. Ces inhibiteurs de cdk sont souvent des compétiteur de l'atp et agisse en se fixant sur le site de fixation del'atp. Ces inhibiteurs chimiques bloquant la prolifération cellulaire par inactivation des cdk/cyclines sont des anti-tumoraux potentiels. On trouve par exemple le flavopiridol qui empêche in vivo l'évolution des tumeurs et stimule leur régresion en influençant l'entrée des cellules en apoptose. Depuis peu, des équipes se consacre à l'élaboration de peptide CKI, afin de rétablir la fonction de ces supresseurs de tumeur souvent mutés dans les cellules malignes. On peut dire que le prix Nobel qui récompensa en 2000 les découverte de base sur le cycle cellulairedonne un signe encourageant à la recherche biomédicale qui bénéficie aujourd'hui de ces découvertes et les utilise pour développer, entre autre, de nouvelle thérapie contre le cancer. BIBLIOGRAPHIE: - J Pines Cyclins and cyclin-dependent kianse : a biochemical view. Biochem J, 308: