Cours 5 : Méiose Fécondation Cycle biologique Anomalies chromosomiques Introduction et rappel : Chez les organismes eucaryotes, il existe deux types de divisions cellulaires : la mitose et la méiose. La mitose concerne les cellules somatiques et assure la naissance de cellules identiques à la cellule mère lors de la multiplication asexuée (elle conserve donc l'information génétique et assure la prolifération cellulaire). La mitose intervient généralement sur des cellules diploïdes mais elle est aussi réalisée par des cellules haploïdes chez certaines espèces (le champignon Sordaria macrospora, la laitue de mer ). Les cellules somatiques possèdent deux exemplaires de chromosomes : les chromosomes identiques sont dits homologues et sont organisés par paire ; la cellule est diploïde. Les cellules sexuelles (germinales) ne présentent qu un seul exemplaire de chaque chromosome : la cellule est haploïde. Différences entre mitose et méiose : La méiose aboutit à la production de cellules sexuelles haploïdes (ou gamètes) pour la reproduction. Chez les animaux, la méiose est un processus se déroulant durant la gamétogénèse (spermatogenèse ou ovogenèse), c'est-àdire durant l'élaboration des gamètes (les spermatozoïdes chez le mâle et les ovules chez la femelle) chez les espèces diploïdes. En plus du rôle de division, la méiose a un rôle dans le brassage génétique (mélange des gènes) et ce, grâce à deux mécanismes de recombinaison génétique : le brassage inter-chromosomique et le brassage intrachromosomique. La méiose se déroule en plusieurs étapes formant un ensemble de deux divisions cellulaires, successives et inséparables. La première division méiotique est dite réductionnelle car elle permet de passer de 2n chromosomes doubles à n chromosomes doubles (= séparation des chromosomes homologues). La seconde est dite équationnelle car elle conserve le nombre de chromosomes : on passe de n chromosomes doubles à n chromosomes simples (= séparation des chromatides). La méiose permet ainsi la formation de 4 cellules filles haploïdes (ou gamètes). On commencera par décrire toutes les phases de la méiose et des brassages génétiques correspondants. Parce que la prépondérance des phases haploïde et diploïde est variable entre les espèces, nous détaillerons ensuite différents cas de cycle biologique (Partie 2). Dans une 3 ème partie, on s intéressera plus spécifiquement, aux anomalies chromosomiques et pathologies associées.
Partie 1 : La méiose et la fécondation sont à la base des cycles de reproduction sexuée Deux animations pour illustrer la méiose : - Une simple : http://www.biologieenflash.net/animation.php?ref=bio-0051-2 - Une complexe (qui montre les conséquences génétique de la méiose) : http://www.snv.jussieu.fr/bmedia/meiose/meiose_fichiers/meiose3.swf I- Les étapes de la méiose et leur brassage génétique a- Méiose 1 ou division réductionnelle La méiose 1 est précédée par une interphase au cours de laquelle chacun des chromosomes se réplique et se retrouve constitué de deux chromatides-sœurs, parfaites copies l'une de l'autre. La première division de la méiose permet la réduction chromatique (réduction du nombre de chromosomes : passage de 2n à n) par séparation des chromosomes homologues. Elle est constitué de 4 phases d'une division cellulaire avec quelques caractéristiques en plus propre à la méiose 1. La prophase 1 : L'enveloppe nucléaire se fragmente et disparaît. Les chromosomes commencent à se condenser. Le fuseau méiotique se forme. Les chromosomes homologues s'apparient (= s'associent) deux à deux pour former n tétrades (ou bivalents) = complexes de 4 chromatides. Chaque chromosome bivalent contient un chromosome paternel et maternel. C'est la phase la plus longue de la méiose. Les chromatides homologues se croisent en plusieurs endroits et forment des chiasmata (points de chevauchement de deux chromatides). Il y a alors possibilité d'échanges de fragments de chromatides entre chromatides homologues. Ce phénomène, appelé crossing over, est à l'origine du brassage intrachromosomique se produisant en prophase 1 de méiose. Il permet une recombinaison des allèles
entre chromosomes homologues, c'est à dire une répartition nouvelle des allèles sur un chromosome. Les chromatides sœurs ne portent plus les mêmes allèles. On parle de chromosomes recombinés, c'est à dire des chromosomes possédant des informations maternelles et paternelles. Ce phénomène augmente la diversité des gamètes produits dans le cas de génotype hétérozygote. Exemple de crossing over (ou recombinaison homologue) entre deux chromosomes homologues maternel et paternel A ne pas connaître : La prophase I est divisée en cinq étapes qui correspondent à cinq états caractéristiques de la chromatine : - leptotène : les chromosomes se condensent. Les télomères s attachent à l enveloppe nucléaire. - zygotène : appariement des chromosomes homologues via un complexe synaptonémal (qui est composé de protéines et enzymes, qui forment les éléments latéraux et l élément central). L'appariement des chromatides homologues démarre sur l'enveloppe nucléaire et progresse le long des chromosomes «comme une fermeture éclair». Il y a donc formation des bivalents (ou tétrades). - pachytène : au niveau central du complexe synaptonémal, des protéines (qui constituent les nodules de recombinaison) effectuent les enjambements (2-3/ chromosome). - diplotène : disparition du complexe synaptonémal. Séparation des chromosomes homologues sauf au niveau des chiasmata entre les chromatides. Décondensation et forte transcription. - diacinèse : Recondensation de la chromatine. Détachement des télomères. A la fin, rupture de l enveloppe nucléaire.
le crossing-over (ou enjambement): échange réciproque d'une portion de chromatide entre deux chromosomes homologues. le chiasma (pluriel : chiasmata) : c est l entrecroisement observé de deux chromatides. C est au niveau des chiasmata que se font les crossing-over. La métaphase 1 : Les bivalents fixés aux microtubules kinétochoriens s'alignent sur le plan équatorial (formant la plaque équatoriale). Les chiasmata (singulier : chiasma) sont alignés et les centromères de chaque bivalent se retrouvent de part et d'autre du plan équatorial. L'anaphase 1 : Les chromosomes homologues, dirigés par les fibres du fuseau, se séparent. Chacun migre vers un pôle de la cellule emportant ses deux chromatides sœurs. Il n'y a pas ici de division des centromères. Au cours de l'anaphase 1 se produit le brassage interchromosomique. Il est dû à la répartition aléatoire et indépendante des chromosomes, il dépend du positionnement des chromosomes bivalents en métaphase 1. En effet, chaque paire se positionne sur le plan équatorial indépendamment des autres paires. Il se forme à chaque pôle de la cellule un assortiment aléatoire de chromosomes maternels et paternels. Vu qu il y a 23 paires de chromosomes chez la femme et l homme, le brassage interchromosomique permet la formation de 2 23 gamètes (8,3 millions) avec une répartition différente des chromosomes maternels et paternels. C'est d'ailleurs au cours de ce brassage que peuvent avoir lieu des erreurs de répartition des chromosomes (voir plus tard). La télophase 1 + cytocinèse : Deux lots haploïdes de chromosomes à deux chromatides sont disposés à chaque pôle de la cellule. Les nucléoles et les membranes nucléaires se reforment. Les chromosomes se décondensent. La cytocinèse se termine avec la première division nucléaire et permet la formation de deux cellules filles possédant chacune un lot haploïde de chromosomes bichromatidiens. Attention : Il y a plusieurs possibilités de cellules filles suivant que le brassage intrachromosomique (crossingover) ait eu lieu et suivant également le brassage interchromosomique. On dit que chaque cellule issue de la méiose 1 et s'apprêtant en entrer en méiose 2 possède une association de chromosomes unique.
b- Méiose 2 ou division équationnelle : Prophase II Métaphase II Anaphase II Télophase II (+ cytodiérèse) La deuxième division de la méiose permet la séparation des chromatides sœurs. Elle est semblable à une mitose avec quelques particularités : - elle n'est pas précédée d'une réplication de l'adn - les chromatides sœurs ne sont pas forcément génétiquement identiques à cause des crossing-over (brassage intrachromosomique). Détais de la Méiose 2 : Prophase II : Cette phase est identique à la prophase I mais elle est plus brève car les chromosomes sont restés compactés. phase, une séparation des centrosomes s'effectue. Ainsi, 2 centrosomes génèrent des fuseaux de fibres entre eux et s'éloignent l'un de l'autre. Les microtubules kinétochoriens s'attachent au kinétochores, à raison d'un kinétochore par chromatide, de part et d'autre du centromère (de manière à séparer les chromatides). Métaphase II : Les chromosomes se placent sur la plaque équatoriale par leur centromère. Leur condensation est maximale. Anaphase II : Les chromatides sœurs de chaque chromosome se séparent après rupture au niveau du centromère et migrent vers les pôles opposés de la cellule tirés par les microtubules. Durant cette phase, les microtubules du fuseau de division tirent les chromatides sœurs vers les pôles opposées de la cellule.
Télophase II + cytodiérèse : Durant cette phase, l'enveloppe nucléaire se reforme autour des chromosomes individuels et le sillon de division sépare la cellule en deux. Puisque la première division de méiose a produit deux cellules, il y a, en télophase II de méiose, quatre cellules. Les quatre cellules haploïdes issues de la méiose possèdent n chromosomes simples. Ainsi, la division équationnelle divise par deux : le nombre total d'allèles par chromosome (et par cellule), la quantité d'adn par chromosome (et par cellule) et le nombre de nucléofilaments par chromosomes (et par cellules). (Graphique à connaître)
Bilan La méiose permet : de réduire de moitié le contenu génétique d'une cellule (2n ==> n) de brasser l'information génétique (recombinaisons et répartition au hasard des chromosomes) et de transmettre l'information génétique à la génération suivante (2 gamètes à 23 chromosomes reconstituent une cellule à 46 chromosomes).
II- La fécondation rétablit la diploïdie et assure un nouveau brassage allélique Du point de vue chromosomique, la fécondation est universellement l'union des noyaux haploïdes de deux gamètes pour former le noyau diploïde de la cellule œuf (ou zygote). Ainsi, la fécondation est le résultat de l'union du matériel génétique de deux cellules reproductrices mâles et femelles. Chaque cellule a subit les brassages intrachromosomiques puis interchromosomiques au cours de leurs méioses 1 respectives. Les associations alléliques obtenues à l'issue de chaque méiose sont uniques et le résultat de la fusion de ces noyaux gamétiques lors de la fécondation en est encore plus unique. Aux recombinaisons intra-chromosomiques (Prophase 1 de méiose, crossing-over) et aux recombinaisons interchromosomiques (Anaphase 1 de méiose, séparation aléatoire des chromosomes), s ajoute, la rencontre au hasard des gamètes lors de la fécondation. Sachant qu il y a que chez l'homme et la femme il y a 23 paires de chromosomes, ce qui fait 2 23 possibilités soit plus de 8 millions de gamètes différents chacun. Combien de combinaisons génétiques différentes peut-on obtenir au cours d une fécondation? Chez l humain : 8 388 608 combinaisons x 8 388 608 combinaisons 8x10 6 x 8x10 6 = 64 000x10 9 de combinaisons génétiques possibles Un homme et une femme peuvent donc réaliser plus de 64 000 milliards de combinaisons génétiques différentes à chaque fécondation! Chaque être vivant obtenu par fécondation entre deux individus donnés est donc le résultat de deux méioses uniques et d'une fécondation également unique d'un point de vue statistique. Attention, l'existence de deux êtres vivants d'un génotype identique obtenus par des mécanismes de reproduction sexuée chez les deux mêmes parents est donc un évènement théoriquement possible mais statistiquement d'une probabilité infiniment faible. Vrais jumeaux (jumeaux monozygotes) = proviennent de la division d'un œuf fécondé unique Faux jumeaux (jumeaux dizygotes) = proviennent de deux ovules fécondés par 2 spermatozoïdes a- Chez les mammifères Les mammifères forment une classe d animaux homéothermes (température constante, régulée), regroupant environ 5.400 espèces. Ce taxon monophylétique se caractérise notamment par la présence de poils, de mamelles chez les femelles permettant l allaitement des petits, mais aussi par l articulation de la mandibule, une respiration de type pulmonaire, un système nerveux complexe Chez tous les mammifères, les modalités de la fécondation sont très comparables. Les spermatozoïdes, cellules mobiles, entourent l'ovocyte (le futur ovule n'a pas encore achevé sa méiose, bloqué en métaphase 2). L'entrée d'un spermatozoïde déclenche la reprise de cette méiose. Dans les heures qui suivent, les deux noyaux haploïdes, mâle et femelle, souvent appelés pronucléus, se rapprochent et fusionnent : c'est la caryogamie qui forme le noyau diploïde de la cellule œuf.
Divers processus dont la formation immédiate d'une membrane de fécondation imperméable (grâce à la réaction corticale) aux autres spermatozoïdes (blocage de la polyspermie), empêchent la fécondation de l'ovule par plusieurs spermatozoïdes (si tel est le cas, le caryotype anormal ainsi constitué n'aboutit jamais à la formation d'un organisme viable). La fécondation chez les humains sera étudiée en détail dans un cours ultérieur. b- Chez Sordaria macrospora Sordaria macrospora est un champignon (Ascomycète) qui possède 7 chromosomes. On observe la fusion de deux filaments et le passage des noyaux de l'un des filaments vers l'autre filament. Les noyaux cellulaires haploïdes s'unissent deux à deux et finissent par fusionner, formant ainsi des cellules oeufs diploïdes. Le filament qui donne ces noyaux est considéré comme mâle et le filament qui les reçoit comme femelle. Les cellules qui participent à cette fécondation sont donc l'équivalent des gamètes.
Même si les aspects semblent différent de la fécondation des mammifères, le processus est fondamentalement le même. c- La fécondation entre différentes espèces La fécondation n'est possible qu'entre gamètes de la même espèce (sauf quelques exceptions (qui sont qualifiés d hydrides) qui entraînent des individus stériles) : la reproduction sexuée maintient une barrière entre les caryotypes des différentes espèces et participent ainsi à la stabilité de l'espèce. On parle de compatibilité des gamètes (au niveau des récepteurs membranaires). Exemples d hybrides : bardot/bardine (ânesse cheval), mulet/mule (âne jument), tigron (lionne x tigre)