Module : Biologie et Physiologie Cellulaires. Cours de Biologie Cellulaire. Les cellules et la transmission du matériel génétique

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1 IUT Génie Biologique Première année Module : Biologie et Physiologie Cellulaires Cours de Biologie Cellulaire Les cellules et la transmission du matériel génétique Hélène Frérot Bureau 1B06 helene.frerot@univ-lille1.fr Hélène Frérot Bureau 1B06 helene.frerot@univ-lille1.fr 1

2 Plan du cours 1. Les cellules procaryotes et eucaryotes 2. Le partage équitable du matériel génétique : la mitose 3. La régulation du cycle cellulaire 4. Le brassage du matériel génétique : la méiose 5. Les bases de l hérédité 6. Introduction au TD de génétique mendélienne Qu est-ce qu une cellule? Cellule : unité constitutive des êtres vivants, formée de son cytoplasme (cytosol + organites) et de son génome, séparée de l extérieur par une membrane plasmique. La partie essentielle de la cellule est son génome, il détermine son identité, spécifie toutes les formes et les fonctions différenciées qu une cellule d une espèce donnée peut adopter tant qu elle est totipotente. Génome : totalité du matériel génétique d une cellule, d un virus, d une mitochondrie ou d un chloroplaste. Cellule eucaryote : son cytoplasme est subdivisé par des membranes intracellulaires, notamment lorsque le génome est contenu dans un noyau distinct. Organismes unicellulaires et pluricellulaires (protistes, champignons, plantes, animaux) Cellule procaryote : son cytoplasme n est pas compartimenté. Organismes unicellulaires uniquement (bactéries) Virus : Microorganisme (<1µm) qui n est pas une cellule et qui ne peut se reproduire que dans une cellule hôte. 2

3 Exemple: Escherichia coli La cellule procaryote Cellule procaryote type 1 µm «Nucleoïd» = ADN circulaire (+ éventuels plasmides) Exemple d un Eucaryote unicellulaire: Saccharomyces cerevisiae La cellule eucaryote Cellule eucaryote animale type 10 µm «Nucleus» = noyau 3

4 La cellule eucaryote Cellules de l épiderme Cellule eucaryote végétale type L organisation du chromosome circulaire des Procaryotes 4

5 L organisation du noyau des Eucaryotes GENOME Région fibreuse Région granuleuse ENVELOPPE NUCLEAIRE Noyau La membrane interne du noyau Cytoplasme Chromatine Lamina 1µm Lamina = élément du cytosquelette 1µm 5

6 La localisation du cytosquelette dans la cellule eucaryote Microscopie à fluorescence En rouge : microfilaments d actine En bleu : filaments intermédiaires (lamina) En vert : microtubules Les éléments du cytosquelette MICROTUBULES (Ø 25 nm) FILAMENTS INTERMEDIAIRES (Ø 8-10 nm) MICROFILAMENTS (Ø 5-9 nm) Division cellulaire Mouvements des organites Battement des cils Forme de la cellule Forme de la cellule Ancrage cellulaire Corne, ongle, cheveu, poil Forme de la cellule Mouvements cellulaires Contraction cellulaire Adhérence cellulaire Figures : 6

7 Le centrosome : centre organisateur des microtubules Microtubules en formation au niveau du «pôle +» Paire de centrioles Structure des centrioles et des microtubules 1 centrosome = 1 centriole = 1 microtubule = 7

8 La composition des cils Axonème Corpuscule basal Ne pas confondre : Cils Microvillosités Coupe transversale Plan du cours 1. Les cellules procaryotes et eucaryotes 2. Le partage équitable du matériel génétique : la mitose 3. La régulation du cycle cellulaire 4. Le brassage du matériel génétique : la méiose 5. Les bases de l hérédité 6. Introduction au TD de génétique mendélienne 8

9 Le cycle cellulaire des cellules eucaryotes! Les procaryotes ne possèdent ni noyau ni microtubules, ils ne réalisent pas de mitose. La division cellulaire se réalise par simple scissiparité. L évolution de la quantité d ADN dans une cellule eucaryote Quantité arbitraire d ADN 2Q Mitose et cytodiérèse = phase M Q Interphase Mitose : division cellulaire responsable de la formation de deux cellules filles identiques à la cellules de départ. 9

10 La condensation de la chromatine en chromosome Protéines histones Le chromosome 10

11 Le déroulement de la mitose a) Prophase (du grec pro = devant) Le début est marqué par la condensation des chromosomes. Chaque chromosome est donc à ce stade constitué de deux chromatides, maintenues au niveau du centromère. Ensuite, le ou les nucléoles disparaissent, et l'enveloppe nucléaire, le réticulum endoplasmique et l'appareil de Golgi, se désintègrent. Un deuxième centrosome apparaît uniquement chez les cellules animales, puisque les cellules végétales n en possèdent pas (les microtubules sont synthétisés d une autre manière). Le déroulement de la mitose b) Métaphase (du grec meta = entre) En début de métaphase, le fuseau mitotique, constitué de fibres de microtubules, se forme. Chaque chromosome va être lié au fuseau par attachement de fibres au niveau d'une structure du centromère. Cette structure associée au centromère porte le nom de kinétochore, et les fibres qui s'y rattachent sont donc des fibres kinétochoriennes. Par le jeu des forces de traction exercées par les fibres sur les chromosomes, ces derniers se retrouvent au centre de la cellule, sur un plan imaginaire appelé plaque métaphasique ou équatoriale. Le degré de condensation des chromosomes est alors maximal. c) Anaphase (du grec ana = en sens contraire) Les centromères vont se diviser longitudinalement, et les chromatides-sœurs de chaque chromosome vont migrer vers les pôles du fuseau. Cette migration résulte d'un raccourcissement des fibres du fuseau attachées au centromère. En revanche, les fibres polaires, celles qui relient un pôle du fuseau à un autre, vont s'allonger de manière à éloigner les deux pôles et à étirer la cellule. 11

12 Le déroulement de la mitose d) Télophase (du grec teleos = fin) L'enveloppe nucléaire, le réticulum endoplasmique et l'appareil de Golgi, se reforment progressivement autour de chaque groupe de chromosomes, et les nucléoles réapparaissent, tandis que le fuseau mitotique disparaît. Les chromosomes subissent une décondensation. e) Cytodiérèse (du grec kutos = cellule et diairesis = action de séparer) En fin de télophase, la cellule initiale va se diviser en deux cellules identiques. Chez les cellules animales, un anneau contractile formé de microfilaments d'actine et de myosine provoque une constriction de la cellule en son centre. Chez les cellules végétales, la paroi se reconstitue progressivement sous la forme d'un phragmoplaste. La formation du phragmoplaste : la reconstitution de la paroi végétale Membrane plasmique Vésicules de Phragmoplast l appareil de Golgi e Nouvelle paroi en formation Nouvelle paroi complète Paroi Membrane plasmique Microtubules Vésicules en cours de confluence 12

13 La dynamique des microtubules lors de la métaphase et de l anaphase Cohésine Chromatides Microtubules du fuseau Chromatides maintenues assemblées Protéolyse de la cohésine Traction exercée par les microtubules Remontée des chromatides vers les pôles du fuseau dépolymérisation Application liée à la mitose: le caryotype 1 locus correspondant à 1 gène avec 2 allèles, soit 1 allèle par chromosome de la même paire Caryotype humain normal : 2n=46 chromosomes dont 44 autosomes (22 paires) 2 gonosomes (XX ou XY) Chromosomes sexuels ou gonosomes 13

14 Les chromosomes sexuels Le corpuscule de Barr est un chromosome X condensé et inactif, présent chez les Mammifères femelles, tandis que l autre chromosome X est actif (c est-à-dire transcrit). Dans un même individu femelle, le corpuscule de Barr est représenté aléatoirement soit par le chromosome maternel, soit par le chromosome paternel en fonction des lignées cellulaires. noyau Plan du cours 1. Les cellules procaryotes et eucaryotes 2. Le partage équitable du matériel génétique : la mitose 3. La régulation du cycle cellulaire 4. Le brassage du matériel génétique : la méiose 5. Les bases de l hérédité 6. Introduction au TD de génétique mendélienne 14

15 Concentration en cycline Activité MPF 19/06/2017 Rappel des quatre phases du cycle cellulaire Entrée en phase S Entrée en phase M Cycle cellulaire et fluctuation des taux de cycline et MPF [Cdk] Cdk = cyclin-dependent kinase 15

16 Mise en évidence du déclenchement de la mitose Expérience de Rao et Johnson (1970) Il existe une substance cytoplasmique produite au moment de la mitose et capable de déclencher cette phase dans une autre cellule à tout moment du cycle. La régulation de l entrée en mitose par le Mitosis Promoting Factor Exemple de la levure scissipare Schizosaccharomyces pombe Cycline Kinase P CAK Cycline Kinase P Wee1 Pré-MPF Cdc25C Kinase Cycline MPF P Kinase Phase M 16

17 Les principales fonctions du Mitosis Promoting Factor Phosphorylation des fragmentation de l enveloppe nucléaire Phosphorylation des condensation des chromosomes Phosphorylation des assemblage du fuseau mitotique Phosphorylation des destruction des cyclines Mise en évidence du déclenchement de la réplication Suite de l expérience de Rao et Johnson (1970) Il existe une substance cytoplasmique produite au moment de la réplication et capable de déclencher cette phase dans une autre cellule, mais pas si cette cellule est en phase G2 : pas de retour en arrière possible et pas de réplication tant que la mitose n a pas eu lieu! 17

18 La régulation de l entrée en réplication par le Synthesis Promoting Factor Cycline Cdc25A Cycline SPF Kinase Kinase P Phase S Kinase Kinase P p21 Régulation du cycle cellulaire par plusieurs complexes cycline / Cdk SPF MPF 18

19 Les points de transition essentiels du cycle cellulaire Transition G2/M dépassée si la réplication est achevée avec succès et sans lésion de l ADN G 1 Transition métaphase-anaphase dépassée si tous les chromosomes sont attachés aux microtubules kinétochoriens sur la plaque métaphasique Transition G1/S dépassée si les facteurs de croissance provenant des autres cellules sont présents, si les conditions nutritionnelles sont favorables et si l ADN n est pas lésé sinon, mort cellulaire programmée = apoptose Le passage du point de restriction et les facteurs de croissance 19

20 Quelques protéines impliquées dans les mécanismes de surveillance Plan du cours 1. Les cellules procaryotes et eucaryotes 2. Le partage équitable du matériel génétique : la mitose 3. La régulation du cycle cellulaire 4. Le brassage du matériel génétique : la méiose 5. Les bases de l hérédité 6. Introduction au TD de génétique mendélienne 20

21 La production des gamètes humains Fécondation Dégénérescence La production d un grain de pollen Prophase I Leptotène Zygotène Pachytène Diplotène Diacinèse Compaction de l ADN Appariement des chromosomes homologues 21

22 La production d un grain de pollen Prophase I Leptotène Zygotène Pachytène Diplotène Diacinèse Métaphase I Anaphase I Télophase I (Interphase) Prophase II Métaphase II Anaphase II Télophase II Une division réductionnelle et une division équationnelle Métaphase II Métaphase I n n 2n Une cellule mère diploïde (2n) après réplication (2 chromatides) 1ère division n 2ième division n n n 4 cellules filles haploïdes (n), une seule chromatide par chromosome 22

23 Le bilan de la méiose La prophase de la première division de méiose Remettre les noms des différentes phases 23

24 Le complexe synaptonémal Chromosomes homologues, chacun avec 2 chromatides sœurs étroitement liées et attachées au complexe synaptonémal Le chiasma : lieu du crossing-over Un chiasma un crossing-over entre deux chromatides provenant de chromosomes homologues 2002 by Bruce Alberts, Alexander Johnson, Julian Lewis, Martin Raff, Keith Roberts, and Peter Walter. Un crossing-over un événement de recombinaison entre les gènes, donc des échanges d allèles 24

25 Le brassage INTRA-chromosomique lors de la première division Le brassage INTER-chromosomique lors de la première division 25

26 Le brassage INTER-chromosomique lors de la deuxième division Plan du cours 1. Les cellules procaryotes et eucaryotes 2. Le partage équitable du matériel génétique : la mitose 3. La régulation du cycle cellulaire 4. Le brassage du matériel génétique : la méiose 5. Les bases de l hérédité 6. Introduction au TD de génétique mendélienne 26

27 Le cycle de vie des organismes diploïdes Fécondation Méiose Méiose brassages génétiques ségrégation des caractères Les premières expériences de ségrégation des caractères Gregor Mendel ( ) Pisum sativum 27

28 La transmission d un caractère discret GENOTYPE PHENOTYPE Lignées pures Hybrides Ratio 3:1 «Grand P» = purple = allèle «petit p» = white = allèle Exemple de caractères discrets à plusieurs allèles Les groupes sanguins 28

29 La transmission de deux caractères indépendants et discrets Grains RONDS (A) ou ridés (a) Grains NOIRS (B) ou jaunes (b) Gamètes AB Ab ab ab AB AABB AABb AaBB AaBb Ab AABb AAbb AaBb Aabb ab AaBB AaBb aabb aabb ab AaBb Aabb aabb aabb Proportions phénotypiques 9 : 3 : 3 : 1 Un cas d interaction inter-allélique : la dominance incomplète Rappel : dominance complète Dominance incomplète 29

30 Les différentes possibilités d interactions inter-alléliques Niveau de phénotype A 1 A 1 A A 1 A 2 A L individu hétérozygote présente un phénotype représentatif des deux parents 2. L individu hétérozygote présente un phénotype exactement intermédiaire par rapport aux parents 3. L individu hétérozygote présente un phénotype proche de l un ou l autre des parents 4. L individu hétérozygote présente un phénotype exactement identique à l un des parents L interaction inter-génique : l épistasie AaBb X AaBb AB Ab ab ab AB AABB AABb AaBB AaBb Ab AABb AAbb AaBb Aabb ab AaBB AaBb aabb aabb ab AaBb Aabb aabb aabb Proportion phénotypique 9 : 7 B = pigments noirs b = pigments bruns C = production normale c = production anormale A = enzyme 1 précurseur a = pas d enzyme 1 B = enzyme 2 pigment b = pas d enzyme 2 30

31 La transmission de deux caractères liés et discrets Thomas H. Morgan ( ) Résultats du test-cross L R vg pr vg R L pr vg pr [L R] [vg pr] [vg R] [L pr] % de gamètes recombinés = (recombinés / total)*100 = (77 / 600)*100 = 12,8 % 12,8 % de taux de recombinaison 12,8 centimorgans (cm) La variation des taux / la probabilité de recombinaison GENES A B a b A a A a B b B b 0% 10% 20% GENES GENES A a A a A a B b B b B b 0 (double co) ou 50% (proba max de co) 50% 31

32 Les liaisons génétiques et l établissement de la carte génétique Carte du chromosome 2 Principe (simplifié) : les crossingover sont d autant plus rares que les locus sont adjacents, donc les % de recombinaison sont d autant plus faibles (donc les distances en cm). La transmission d un caractère quantitatif 32

33 La transmission d un caractère lié au chromosome X Un caractère déterminé par un gène pléiotrope : la drépanocytose 33

34 Bibliographie Ouvrages Karp GC. (2010). Biologie cellulaire et moléculaire. (3 ième ed.) De Boeck Université. Hartl DL & Jones EW. (2003). Génétique. Les grands principes. (3 ième ed.). Sciences Sup, Dunod. Sites Internet Plan du cours 1. Les cellules procaryotes et eucaryotes 2. Le partage équitable du matériel génétique : la mitose 3. La régulation du cycle cellulaire 4. Le brassage du matériel génétique : la méiose 5. Les bases de l hérédité 6. Introduction au TD de génétique mendélienne 34

35 Résultats d un back-cross pour deux gènes indépendants Back-cross F1 BC Résultats d un back-cross pour deux gènes liés Back-cross BC 35

36 Une proportion (1-P) des gamètes produits par un individu hétérozygote ne présente pas de crossing-over entre les deux gènes «A» et «B». Une proportion P des gamètes produits par un individu hétérozygote présente un crossing-over entre les deux gènes «A» et «B», et cet événement dépend de la distance entre les gènes. A B A B a b a b 1/2 1/2 Métaphase I Anaphase I A B A a b B a b 1/2 1/2 Distance en cm A A a a A A a a B B 1/2 1/2 b b B Anaphase II 1/2 1/2 1/2 b 1/2 B b 1/2 1/2 A A a a A A a a B B b b B b B b Ne pas confondre Le nombre moyen de crossing-over par paire de chromosome 0, 1 ou 2 crossing-over par paire (événement rare) La probabilité d apparition d un crossing-over entre deux gènes Elle dépend de la distance entre les deux gènes, et correspond à la probabilité d obtenir des gamètes de type recombiné Une fois le crossing-over réalisé, la probabilité de production de chaque gamète de type parental, ou de chaque gamète de type recombiné C est toujours 1/2 36