-B- LA MORPHOGENESE VEGETALE ET LA MULTIPLICATION CELLULAIRE : la mitose, un processus commun aux cellules eucaryotes. 1
Nous avons vu au cours du premier chapitre que l observation d un végétal en croissance montre que la croissance ne se déroule pas sur toute la longueur du végétal. La croissance a lieu au niveau des méristèmes. Dans ces tissus, l observation microscopique montre une importante activité de multiplication cellulaire. Les cellules se divisent rapidement et leur nombre augmente donc rapidement. Le principe général de la multiplication cellulaire est le suivant : une cellule mère doit transmettre à 2 cellules filles son information génétique. Ces 2 cellules filles sont donc génétiquement identiques entre elles. Comment cela est-il possible? Il s agit d une reproduction conforme. Celle-ci nécessite 2 phases distinctes indissociables et complémentaires : une phase de réplication de l information génétique, c'est-à-dire des molécules d ADN ; et une seconde phase de division cellulaire appelée mitose assurant une égale répartition de l information génétique dans 2 cellules distinctes, mais qui seront génétiquement identiques. 1. La duplication de l ADN. La duplication de l ADN se déroule au cours de l étape préliminaire à savoir l interphase. a) L interphase (Document 11) Elle représente tout l intervalle entre la formation et la division de la cellule. L interphase se divise en 3 sous-phases appelées G 1, S et G 2. Au cours de la phase G 1 (G est l initiale de Gap qui signifie discontinuité, mais aussi de Growth qui signifie croissance), les cellules sont métaboliquement actives, synthétisent des protéines et augmentent considérablement de volume. Puis a lieu la phase S (pour Synthèse) au cours de laquelle un phénomène important a lieu : la réplication. Après la phase S a lieu la phase G2 qui est très brève. Pendant cette période, les enzymes et autres protéines nécessaires à la division cellulaire sont synthétisées. A la fin de G2, la réplication est terminée. Remarques : 1) On parle de phase G0 pour des cellules qui ne se divisent plus (ex : les neurones et les cellules musculaires). 2) Une cellule peut rester au stade G1 pendant plusieurs années si le signal prolifératif n est pas donné. La cellule reste à un stade G1 appelé R (pour Restriction). La sortie de R permet le démarrage de l interphase. 3) La phase G1 d une cellule végétale dure en moyenne 12 h. La phase S d une cellule végétale dure en moyenne de 6 à 8 h. La phase G2 d une cellule végétale dure en moyenne de 3 à5 h. 2
b) La Réplication (Document 12) La réplication commence par le déroulement des hélices d ADN. Les liaisons hydrogène qui unissent les paires de bases se rompent.(c est une hélicase qui déroule l ADN et la rupture des liaisons hydrogène). La réplication a généralement lieu à un endroit en forme de Y appelé fourche de réplication. Chaque brin de nucléotide sert de matrice pour la synthèse d une chaîne complémentaire de nucléotides à partir de nucléotides présents dans le nucléoplasme. L ATP fournit l énergie nécessaire à ce processus. L enzyme qui positionne et lie les nucléotides est appelée ADN polymérase. La synthèse de l ADN (Document 13) se fait de façon séparée sur chaque brin, l ADN polymérase se déplace de l extrémité 3 vers l extrémité 5 sur le 1 er brin puis sur le brin 2 dans le sens 3-5. La lecture du brin 3-5 est précédée par la formation d une amorce d ARN de 10 nucléotides environ grâce à une primase. Ensuite ce brin amorce est hydrolysé par une exonucléase pour permettre l assemblage de ces fragments d une centaine de nucléotides appelés fragments d Okazaki. Ensuite les 2 brins néoformés s assemblent aux brins matrices pour former les 2 chromatides. ð La totalité de l ADN est aussi dupliquée avant la mitose, la cellule mère contient donc une quantité d ADN double. Exemple : 3
Deux molécules d ADN seront donc formées à partir de l hélice d ADN originale à laquelle elles sont identiques, chaque molécule d ADN comporte un brin matrice (c'est-à-dire le brin ancien) et un brin nouveau (c est-à-dire le brin néoformé). C est pourquoi le mécanisme de la réplication de l ADN est souvent appelé réplication semi-conservative. Le modèle de réplication semi-conservative a été proposé en 1953 par Watson et Crick. Ce modèle a été confirmé par Taylor (1957) sur des cellules de racines de Bellevalia, une plante proche du lis et par Meselson et Stahl (1958) sur une bactérie Escherichia coli. Nous pouvons observer ce phénomène de réplication au microscope électronique (Document 14) : il est alors possible de voir des zones appelées «yeux de réplication» où la molécule d ADN semble s être dédoublée. Chaque œil correspond en fait à deux «fourches de réplication», figures en forme de Y, qui progressent en sens inverse et assurent la réplication de la molécule d ADN. Du fait de la progression en sens inverse des fourches de réplication au niveau de chaque œil, les différents yeux finissent par se rejoindre et la molécule d ADN est ainsi dupliquée. Remarques: 1) L ADN polymérase est douée d une fonction de «correction d erreurs» : elle contrôle systématiquement le dernier nucléotide mis en place et, s il existe une erreur d appariement, elle enlève ce nucléotide et le remplace par le bon nucléotide. Ainsi la réplication de l ADN est un processus fiable. 2) Bien distinguer duplication et réplication La duplication correspond au dédoublement d un élément cellulaire, d une molécule comme la duplication de l ADN. On emploie le terme de réplication de l ADN quand on fait référence au mécanisme et non au résultat. 2. Le déroulement de la mitose (Document 15) (dans le cas d une cellule végétale eucaryote). La mitose est un terme réservé à la division des cellules eucaryotes des organismes pluricellulaires. La mitose correspond à la division d une cellule mère en 2 cellules filles. Les mitoses des cellules vivantes permettent ainsi le développement d un tissu ou le remplacement de ses cellules mortes. Cette mitose a lieu après l interphase. Elle permet le partage du matériel génétique dupliqué. 4
La mitose est un phénomène continu mais on a néanmoins fixé 4 phases. a) La prophase (du grec pro, en avant) : C est la phase la plus longue. Lors de cette phase, la chromatine s organise en filaments de plus en plus épais, nets et courts et colorables appelés chromosomes. Chez l Homme, ils sont au nombre de 46. Chaque chromosome est divisé en 2 chromatides réunies par un centromère. A ce stade, les chromosomes sont constitués de 2 filaments nommés chromatides (les chromosomes sont alors dits bichromatidiens) unis par un centromère. Les 2 chromatides qui constituent un chromosome sont en réalité 2 molécules d ADN, condensés et associés à des protéines (histones) mais identiques l une de l autre car elles proviennent d une même molécule initiale par processus de réplication. Un chromosome est constitué de 2 chromatides génétiquement identiques. Le nucléole disparaît progressivement L enveloppe nucléaire se démantèle progressivement et finit par disparaître ; Entre les 2 pôles de la cellule s organise dans le cytoplasme un fuseau de division (appelé aussi fuseau mitotique ou fuseau achromatique). Il est constitué d éléments appartenant au cytosquelette : les microtubules. Ces structures fibreuses sont elles-mêmes formées de tubuline, une protéine dont les sous-unités peuvent s assembler par polymérisation. Remarque : Dans une cellule animale, les 2 centrioles entourés de fibres rayonnantes migrent vers les 2 pôles, leur aspect étoilé leur a fait donner le nom d ASTER. 5
b) La métaphase (du grec meta, transformation). C est une phase de courte durée. La condensation des chromosomes est maximale. Jusqu alors disposés en vrac dans la cellule, les chromosomes entrent en mouvement et se rassemblent dans un plan à égales distances des deux pôles. Tous les chromosomes sont bien rangés dans un plan médian à la cellule, d où la dénomination de plaque équatoriale. C est en particulier au cours de cette phase que l on peut, le plus facilement les dénombrer et les identifier. Au moment de la métaphase mitotique, chaque chromosome est relié aux deux pôles du fuseau mitotique par des microtubules (appelés aussi fibres chromosomiques ou fibres kinétochoriennes) s attachant au niveau du centromère. Les centromères sont alignés sur le plan équatorial. c) L anaphase (du grec ana, en haut) C est une phase très rapide. Au cours de cette phase, il se produit un raccourcissement des fibres chromosomiques. Cela entraîne une traction qui s exerce sur les centromères des chromosomes. A la suite d un clivage du centromère, les 2 chromatides de chaque chromosome se séparent, les 2 chromosomes-fils (chromosomes monochromatidiens) ainsi formés s éloignent l un de l autre. L anaphase est donc caractérisée par l ascension polaire de deux lots identiques de chromosomes. La séparation des deux copies de l information génétique se produit alors, c est le phénomène de caryocinèse. 6
La séparation des deux lots identiques de chromatides se poursuit jusqu à ce que ces dernières soient parvenues aux pôles du fuseau. d) La télophase (du grec telos, fin). C est une phase d une durée comparable à celle de la prophase Les chromatides, séparées en deux lots identiques aux pôles du fuseau, vont se décondenser, tandis que se reconstituent de nouvelles enveloppes nucléaires autour de ces chromatides. Deux noyaux-fils se reconstituent contenant chacun un des deux copies de l information génétique. Ces deux noyaux-fils sont quantitativement et qualitativement identiques sur le plan génétique. Le fuseau mitotique disparaît. A cette mitose succède alors une phase de division cytoplasmique que nous étudierons dans la partie 3. Bilan : A l issue de la mitose, on obtient 2 cellules filles identiques entre elles et identiques à la cellule mère, identiques d un point de vue génétique et d un point de vue cytoplasmique. On parle de reproduction conforme. Ces cellules filles ont plusieurs destinées possibles : - elles retournent en interphase (phase G1) et se préparent à une nouvelle reproduction conforme. - elles cessent de se diviser, se spécialisent et n accomplissent qu une fonction précise. Ces cellules différenciées sont hors-cycle (celles en phase G0). Nous pouvons citer quelques exemples : les cellules des feuilles vont se spécialiser dans la photosynthèse, les cellules de racines se spécialisent dans l absorption de l eau et des nutriments, L association multiplication cellulaire et différenciation cellulaire aboutit, selon un programme génétique précis, au développement d un végétal particulier, présentant des caractéristiques propres. L ensemble Interphase + Mitose correspond à un cycle cellulaire. e) Notion de cycle cellulaire : ð Les caractéristiques du cycle cellulaire (Document 16). 7
Le schéma se lit dans le sens des aiguilles d une montre. ð Evolution de la quantité d ADN par cellule au cours du cycle cellulaire (Document 11). Si l on mesure la quantité d ADN dans le noyau cellulaire, on observe que la quantité «q» d ADN présente en début d interphase (G1) double en fin d interphase (soit «2q») et reste constante pendant la mitose. Puis lors de la télophase c est-à-dire lors de la séparation des 2 cellules filles, on retrouve la même quantité «q» d ADN. Le Document 17 représente le cycle cellulaire sur le plan quantitatif et sur le plan qualitatif. Les nucléofilaments (ADN + protéines) passent alternativement par des phases où ils sont présents en simple ou en double exemplaire, ainsi que par des phases où ils sont plus ou moins condensés. On peut bloquer le cycle mitotique à la métaphase pour réaliser un caryotype. ð Notion et établissement d un caryotype. Un caryotype est une présentation photographique ou dessinée du nombre et de la forme des chromosomes, il est caractéristique de l espèce (Document 18). La colchicine est aussi appelée antimitotique. Cette molécule bloque la mitose en métaphase en empêchant la formation du fuseau mitotique et donc la séparation des chromatides des chromosomes dupliqués. f) Signification de la mitose. ð Les rôles de la mitose : Chez l Homme, la mitose a lieu 30 h après la fécondation. Les mitoses embryonnaires conduisent à l augmentation rapide du nombre de cellules et à l édification d un organisme pluricellulaire. Chez les animaux, les mitoses sont essentiellement destinées à pourvoir au remplacement des cellules mortes Les cellules nerveuses ne se divisent jamais au sein du système nerveux de l adulte. Les hématies du sang (cellules anucléées) ne se divisent pas. Les cellules musculaires possèdant plusieurs centaines de noyaux (cellules plurinucléées) ne subissent pas de mitoses. Chez les végétaux, les mitoses permettent la croissance végétale. ð Altération de la mitose Les cancers sont des anomalies cellulaires : les cellules subissent des divisions anormales à un rythme considérable et donnent naissance à un massif cellulaire important (tumeur). 8
Examinons les divisions cellulaires d un point de vue cytoplasmique. 3. Le partage du cytoplasme : la cytodiérèse (appelée aussi cytocinèse). Chez les végétaux, la séparation du cytoplasme s effectue par la construction d une nouvelle paroi à l équateur de la cellule. Cette étape est assurée par l alignement de vésicules golgiennes sur l ancien plan équatorial du fuseau. Ces vésicules, contenant des précurseurs de la paroi cellulaire, se dirigent vers le centre de la cellule. Ces vésicules fusionnent et forment le phragmoplaste, qui lui-même fusionne à ses 2 extrémités avec la membrane plasmique de la cellule. Les 2 cellules filles sont alors formées, une nouvelle paroi les sépare (Document 19). Chez les animaux, le cytoplasme est divisé en 2 par un simple étranglement du cytoplasme dans la région équatoriale du fuseau de division (Document 20). Conclusion : La croissance des végétaux passe par une phase de multiplication cellulaire, située au niveau des méristèmes. A leur niveau, les cellules issues de mitoses, après réplication de l ADN en interphase, peuvent continuer à se multiplier ou peuvent se différencier et participer à la construction morphologique et fonctionnelle du végétal. Mais un autre phénomène intervient, la croissance cellulaire qui, comme la multiplication cellulaire, participe à la croissance du végétal. 9