Université Hassan II Faculté de Médecine et de Pharmacie Casablanca - Cours de Biologie - Pr. Tahiri Jouti N. Année Universitaire 2015-2016
Les Chromosomes
Définition - forme condensée de la chromatine - Support du matériel génétique - apparaissent au moment de la division cellulaire
Composition biochimique Chaque chromosome est formé : - d une molécule d Acide Désoxyribonucléique (ADN) - des protéines
L ADN est une molécule formée : * de bases puriques double cycle : A : Adénine G : Guanine * de bases pyrimidiques monocycliques C : Cytosine T : Thymine
L ADN - Est une double chaîne de nucléotides torsadée et antiparallèle - Les 2 chaînes sont liées : * par des liaisons hydrogènes * de façon complémentaire : A-T et G-C
L ADN
Les Protéines 2 types : - les Histones - les protéines non histones
Les Histones - sont de petites protéines basiques de 100 à 200 acides aminés - ont un rôle structural
Les Histones 5 types d histones formant 2 groupes : 1er groupe : H2A, H2B, H3, H4 constituent un Octamère protéique (2 exemplaires de chacune des histones) 2ème groupe : H1 jouerait un rôle dans la compaction de l ADN
Les Protéines Non Histones - Sont des : - protéines acides de petite taille - enzymes - Ont un rôle dans la régulation de l expression du génôme
Le Nucléosome - Est l Unité fondamentale de la chromatine - Est constitué d : * Une particule cœur * Une région de liaison : Internucléosomale reliant les particules coeurs
Le Nucléosome
Le Nucléosome - La particule cœur est composée : - 146 paires de bases (pb) d ADN, enroulées autour de l octamère protéique - La région internucléosomale : - est de longueur variable - comprend H1 insérée sur une longueur de 20 nucléotides
Le Nucléosome
La fibre Nucléosomique ou «Collier de perles» ADN + Protéines : nucléosomes formation de la fibre nucléosomique = «collier de perles»
La fibre Nucléosomique ou «Collier de perles» (ME)
La Condensation de la Chromatine se déroule en plusieurs étapes en fonction du stade mitotique - rapprochement des nucléosomes formation du nucléofilament - incorporation des histones internucléosomales H1 et repliement du nucléofilament formation d un solénoïde
Le Nucléofilament Fibre Nucléosomique Nucléofilament
Le Solénoïde - solénoïde comprend 6 nucléosomes par tour - compaction de l ADN de l ordre de 200 fois - des niveaux supérieurs d organisation sont nécessaires au fonctionnement du génôme
Le Solénoïde - Le solénoïde se replie en boucles formant des rosettes - Chaque rosette - comprend 10 boucles - correspond à une unité fonctionnelle de transcription et de réplication
Compaction de l ADN
Niveaux de condensation de l'adn : (1) Brin simple d'adn. (2) Brin de chromatine (ADN+histones). (3) Chromatine en interphase avec centromère. (4) Chromatine condensée en prophase (2 copies de la molécule d'adn) (5) en métaphase.
Morphologie des chromosomes - Visible sur le chromosome métaphasique - 2 chromatides reliées par un centromère - Extrémités appelées télomères
Chromosome métaphasique
Le Centromère - constriction primaire du chromosome - portion où l ADN pas encore dupliqué - région où les 2 chromatides sœurs sont unies de chaque côté du centromère
Le Centromère
Le Centromère A son niveau : les 2 chromatides sœurs comporte chacune un kinétochore = complexe protéique fixation des chromatides au fuseau mitotique
Centromère et Kinétochore
Centromère et Kinétochore
Le Télomère - extrémité des chromatides - séquence ADN répétitive (AAAA) - empêche fusions avec d autres chromosomes - permet attachement chromosome à la lamina (Noyau Interphasique)
La Constriction Secondaire - située sur chromosomes 13,14,15,21 et 22 chez l humain - correspond à l Organisateur Nucléolaire = ADNr
Nombre de Chromosomes - variable selon l espèce : drosophile : 8 souris : 40 rat : 42 Homme : 46 Singe : 48
Types de chromosomes - 22 paires d autosomes : de 1 à 22-1 paire de gonosomes ou chromosomes sexuels : XX chez la femme XY chez l homme
Rôle des chromosomes Deux rôles principaux : - transmission du patrimoine génétique - expression des gènes
Transmission patrimoine génétique Se fait : 1) de la cellule mère aux cellules filles Mitose 2) d une génération à l autre : formation de gamètes => Méïose
Le Cycle Cellulaire
Le Cycle Cellulaire
Phase G1 phase de quiescence : - cellule synthétise protéines croissance et fonctions cellulaires - durée varie de dizaines à plusieurs centaines d'heures - passage dans le cycle cellulaire sous l action d un stimulus
Phase G0/G1 - la phase G1 peut durer plusieurs dizaines années * ces cellules sont hors cycle, * état métabolique particulier appelé Phase G0
Passage G1 / S - dépend de facteurs inducteurs externes : facteurs de croissances (FC) - au-delà du milieu de G1 : point R ou point de restriction entrée en S et progression du cycle surviennent même en l'absence de FC mécanisme irréversible
Phase S - sa durée varie de 6 à 20 h - prolongée en cas de lésions de l'adn - duplication * de l ADN * du centrosome - synthèse des histones
Duplication du Centrosome le centrosome se duplique avant le début de la prophase constitué de 4 centrioles
Duplication de l ADN - Semi-conservative : - L ADN-polymérase ouvre la double hélice - chaque demi-brin parental reconstitue le brin qui lui est complémentaire - l ADN nouvellement formée est constitué d : * 1 brin matrice * 1 brin néo-formé
Duplication de l ADN - Bicaténaire : les deux brins répliqués simultanément - Bidirectionnelle : au site d'initiation, 2 complexes de réplication * sont simultanément activés sur les 2 brins de la molécule mère * progressent dans deux directions opposées
Duplication de l ADN Plusieurs sites d initiation : «fourches ou yeux de réplication»
Phase G2 - Formation de complexes moléculaires déclenchant la mitose - Présence d un système de surveillance du génôme vérifiant l'intégrité de l'adn - durée d'environ 1 à 4h
La Mitose Plusieurs phases : - Prophase - Prémétaphase - Métaphase - Anaphase - Télophase
La Prophase - chromatine se condense en structures ordonnées et individualisées : les chromosomes - nucléoles se désagrègent - 2 copies identiques du génôme : chromosomes constitués de 2 chromatides sœurs
Migration des Centrosomes - Chaque centrosome migre vers un pôle de la cellule - les microtubules se réorganisent pour former Fuseau mitotique
Le Fuseau Mitotique Structure Bipolaire qui - s'étend entre les 2 centrosomes mais - reste à l'extérieur du noyau
La Prométaphase - considérée parfois comme partie de la prophase - membrane nucléaire se désagrège en vésicules - kinétochores se forment autour des centromères
Les Microtubules - des microtubules s'accrochent aux kinétochores : microtubules kinétochoriens - des microtubules s accrochent aux centrosomes : microtubules polaires - des microtubules restent autour aster : microtubules astraux
La Prométaphase microtubules polaires microtubules kinétochoriens microtubules astraux
La Métaphase - rassemblement chromosomes à l'équateur de la cellule la Plaque Equatoriale - réplication du centromère par duplication tardive de son ADN
La Métaphase
L Anaphase Les chromatides sœurs * se séparent brutalement * sont «tirées» par les microtubules en direction d un pôle vitesse de migration : 1µm/min
L Anaphase déplacement des chromatides : * microtubules kinétochoriens raccourcissent par dépolymérisation * microtubules polaires qui s'allongent par polymérisation éloignement des pôles du fuseau mitotique l'un de l'autre entraînant les chromatides
L Anaphase kinétochores permettent * fixation de la chromatide au microtubule * transport de la chromatide le long des microtubules
L Anaphase
La Télophase - allongement microtubules polaires - disparition microtubules kinétochoriens - décondensation chromatides sœurs commence - enveloppe nucléaire et nucléoles se reforment
Télophase et Cytodiérèse - Formation sillon de division dans un plan perpendiculaire à l'axe du fuseau mitotique - Clivage Centripète de la cellule grâce à un anneau contractile composé d actine et myosine
Télophase et Cytodiérèse - Sillon de division se resserre formation d un corps intermédiaire qui : * est un passage étroit entre les deux cellules filles * contient le reste du fuseau mitotique
Séparation des 2 cellules filles - Enveloppe nucléaire et nucléoles finissent de se reconstituer - l'arrangement radial des microtubules centrosome se reforme
Obtention de 2 cellules filles
Contrôle du Cycle Cellulaire A la fin de chaque étape du cycle, la cellule peut: - poursuivre sa progression ou - s'arrêter Les transitions entre les phases contrôlées par un complexe kinase (activité de phosphorylation sur des sérine et thréonine)
Contrôle du Cycle Cellulaire
Complexe Cdk: Cycline Dependant Kinase - Constitué par deux protéines clés, deux sous-unités : - une sous unité catalytique = cdk (cyclin dependant kinase) - une sous unité régulatrice = cycline - Concentration de Cdk constante au cours du cycle. - Les Cdk actives (capable de phosphoryler les protéines cibles) lorsqu'elles sont associées à des cyclines - La concentration des cyclines varie au cours du cycle (d'où leur nom)
Système de contrôle du cycle cellulaire Complexe M-Cdk Complexe S-Cdk
Complexe Cdk: Cycline Dependant Kinase - La Cdk s associe successivement à différentes cyclines pour déclencher les différents événements du cycle - L activité de la Cdk se termine généralement par la dégradation de la cycline. - Les cyclines qui agissent en phase S (cycline S) et en phase M (cycline M) respectivement nommés S-Cdk et M-Cdk.
Principales Cyclines et Cdk
Principales Cyclines et Cdk - Quatre classes de Cyclines en fonction de l étape pendant laquelle elles se fixent sur les Cdk - Cyclines: - G1: promotion du passage du Point de Restriction - G1/S: fin de la phase G1, engagent la cellule vers la réplication de l ADN - S: pendant la phase S, nécessaires à l initiation et la réplication de l ADN - M: favorisent les événements de la mitose
Régulation de l activité Cdk Par - Augmentation et chute de la concentration en cycline - Phosphorylation sur le plafond du site actif - Fixation de protéines inhibitrices de la Cdk: les CKI
Régulation de l activité Cdk Par: - La protéolyse de la cycline - La diminution de la transcription des gènes de la cycline
Régulation de l activité Cdk par phosphorylation
Synthèse Conditions environnementales favorables: - Augmentation en G1-Cdk et G1/S-Cdk activation de la S-Cdk - S-Cdk initiation de la réplication - M-Cdk Mitose - Anaphase déclenchée par la protéolyse de protéines liant les chromatides sœurs - M-Cdk inactivée par la protéolyse de la cycline
Synthèse - Progression dans le cycle cellulaire régulée par divers mécanismes inhibiteurs lorsque: - Les événements n ont pas réussi à se terminer complètement - Production de lésions de l ADN - Conditions environnementales extracellulaires défavorables
Mort Cellulaire : Nécrose Nécrose : destruction massive des cellules par des facteurs exogènes Physiques chimiques ou biologiques lyse osmotique des cellules rupture des membranes destruction des organites libération du contenu cellulaire (enzymes lytiques) Cicatrisation
Mort Cellulaire : Apoptose - mort cellulaire programmée - élimination sélective de cellules - mécanisme fondamental qui contrôle de façon permanente: * l'homéostasie * l'intégrité et les fonctions cellulaires
Définition de l Homéostasie Homéostasie : processus par lequel un organisme maintient constantes les conditions internes nécessaires à la vie
Mort Cellulaire : Apoptose - dépend de l'activation machinerie cellulaire - requiert : * activation de gènes et * synthèse protéique
Mécanisme de l Apoptose - Préservation intégrité des organites et macromolécules jusqu'à un stade avancé - réduction volume cellulaire - cellule s'arrondit - Perte des contacts avec cellules voisines
Mécanisme de l Apoptose - Condensation * de la chromatine à la périphérie du noyau Marginalisation * du cytoplasme - Clivage ADN
La Méïose - division cellulaire concernant lignées germinales - production cellules haploïdes ou gamètes : l ovogénèse et la spermatogénèse - nombre chromosomes réduit de moitié
La Méïose - cellules somatiques : 46 chromosomes par cellule nombre diploïde (2n=46) - gamètes produites par la méïose : 23 chromosomes nombre haploïde (n=23)
La Méïose 2 divisions successives : - 1 division réductionnelle : Méïose I - 1 division équationnelle : Méïose II
La Méïose Méïose I : - séparation chromosomes homologues - obtention de 2 cellules filles contenant la moitié des chromosomes
La Méïose Méïose II : chromosomes dédoublés 2 chromatides soeurs production de 4 cellules filles haploïdes
MÉIOSE I : PHASE RÉDUCTIONELLE PROPHASE I : phase la plus longue (23 jours chez homme) 5 stades : - leptotène - zygotène - pachytène - diplotène - diacénèse
Leptotène - Chromosomes visibles en forme de longs filaments fins - Rapprochement des homologues - ADN déjà répliqué durant interphase
Zygotène Appariement des chromosomes homologues chromosomes sous forme de bivalents
Pachytène - Phase la plus longue de la prophase (16j chez l homme) - Condensation des chromosomes : chromosomes courts et épais
Pachytène Stade des crossing-over * entre chromosomes homologues * correspond au brassage intra chromosomique permet la diversité génétique
Diplotène - Séparation des chromosomes homologues qui restent unis par chiasmas - bivalents se dissocient
Diacinèse - Disparition * enveloppe nucléaire et * nucléole - Chromosomes fixés sur fuseau mitotique
Métaphase I - chromosomes sur plaque équatoriale - Centromères des chromosomes homologues dirigés chacun vers un pôle cellule
Anaphase I - chromosomes homologues se séparent et migrent chacun vers un pôle - Pas de séparation des chromatides sœurs - centromères ne se divisent pas - nombre de chromosomes réduit
TELOPHASE I - nouveau noyau haploïde formé dans les 2 cellules filles - chromosomes disparaissent de vue - cytodiérèse presque complète
INTERCINÈSE - maintenant * deux cellules haploïdes * chromosomes à deux chromatides = ADN déjà doublé - Plus de doublement matériel génétique
MÉIOSE II : Phase Equationnelle = Mitose PROPHASE II : - Formation du fuseau mitotique METAPHASE II : - Chromosomes sur plaque Équatoriale - Clivage centromère après duplication tardive ADN
MÉIOSE II : Phase Equationnelle = Mitose ANAPHASE II : - séparation des centromères - migration des chromatides sœurs TELOPHASE II et Cytodiérèse : - désorganisation fuseau mitotique - formation enveloppe nucléaire - décondensation des chromosomes - division cytoplasmique
Mitose / Méiose Localisation Produits Réplication ADN MITOSE tous tissus cellules somatiques 46 chr 1 cycle réplication par division MEIOSE Gonades cellules germinales 23 chr 1 cycle de réplication mais 2 divisions Durée de la courte (30 ) Prophase longue et complexe
Mitose / Méiose Appariement Homologues Non oui (méiose I) Recombinaison homologues rare et anormale au moins 1 par paire Relation entre cellules Filles identiques différentes
Anomalies chromosomiques - peu fréquentes - affectent gonosomes et autosomes - de différents types
Anomalies chromosomiques Constitutionnelles (Innées) : - production * avant fécondation, dans les gamètes * dans les cellules du zygote - accident chromosomique déjà chez embryon
Anomalies chromosomiques Constitutionnelles (Innées) : - différents organes avec même anomalie - souvent dysmorphie et/ou malformations viscérales et/ou retard du développement psychomoteur
Anomalies chromosomiques Acquises : - production au cours vie de l'individu - un seul organe touché, autres organes normaux - acquises par rapport au caryotype constitutionnel Exemple : sujet porteur d'un processus cancéreux sur l organe impliqué
Anomalies chromosomiques HOMOGENE: toutes les cellules du tissu examiné portent la même anomalie En MOSAIQUE : certaines cellules du tissu portent l'anomalie alors que d'autres sont normales Notion de Clône
Anomalies chromosomiques Constitutionnelle HOMOGENE: toutes les cellules du tissu examiné portent la même anomalie - exemple 1: une anomalie constitutionnelle survenue chez un gamète parental (ex: + 21) retrouvée chez toutes les cellules de l'enfant descendant : Trisomie 21 homogène
Caractéristiques des Anomalies chromosomiques Acquise HOMOGENE : exemple : t(9;22) dans la leucémie myéloïde chronique (LMC) une anomalie acquise présente sur toutes les cellules sanguines de l individu Pourquoi? Les cellules normales sont suffisamment inhibées pour que l'on n'en retrouve aucune en mitose
Anomalies chromosomiques Constitutionnelle en MOSAIQUE : Exemple : - une anomalie constitutionnelle survenue chez le zygote après plusieurs divisions cellulaires (ex: +21) - ne touchera qu'une partie des cellules de l'embryon puis de l'enfant
Anomalies Chromosomiques de Nombre un chromosome est soit : * surnuméraire (trisomie) (ex: +21) * manquant (monosomie) (ex: XO par perte d'un gonosome) caryotype toujours déséquilibré lors d'une anomalie de nombre
Anomalies Chromosomiques de Structure Cassures chromosomiques et recollements erronés l'anomalie peut être : * Equilibrée : ni perte ni gain de matériel génétique= Translocation * Déséquilibrée : Délétion, insertion, duplication de fragment(s)