Biologie moléculaire de la cellule - PowerPoint Presentation

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Biologie moléculaire de la celluleSixième Édition

Chapitre 17Le Cycle Cellulaire

Copyright © Garland Science 2015

Alberts • Johnson • Lewis • Morgan • Raff • Roberts • WalterSlide2

Le cycle cellulaireVue d'ensemble du cycle cellulaireLe système de contrôle du cycle cellulaireLa phase SLa mitoseLa

cytocinèseMéioseContrôle de la division et de la croissance cellulaireSlide3

Exigences de la duplication des chromosomesLes chromosomes linéaires des cellules eucaryotes sont de vastes assemblages dynamiques d'ADN et de protéinesLeur duplication est un processus complexe qui occupe une grande partie du cycle cellulaireLes longues molécules d'ADN de chaque chromosome doivent être recopiées avec exactitudeL'empaquetage protéique qui entoure chaque région de cet ADN doit, lui aussi, être reproduit, tout en vérifiant que les cellules filles hériteront bien de tous les caractères de la structure des chromosomesSlide4

Les deux problèmes posés par la réplication de l'ADN L'événement central dans la duplication des chromosomes — la réplication de l'ADN —pose deux problèmes à la celluleEn premier, la réplication doit se faire avec une extrême exactitude pour minimiser les risques de mutation dans la génération cellulaire suivanteEn second, chaque nucléotide du génome doit être recopié

une fois, et seulement une, pour éviter les effets délétères de l'amplification géniqueSlide5

Présentation du chapitreDans un autre chapitre (5), nous discutons de la machinerie protéique sophistiquée qui effectue la réplication de l'ADN avec une rapidité et une exactitude étonnanteDans ce chapitre, nous considérerons les mécanismes élégants par lesquels le système de contrôle du cycle cellulaire initie les processus de réplication et, en même temps, empêche que cela ne soit fait plusieurs fois par cycleSlide6

Phase SS-Cdk initie la réplication de l'ADN une fois par cycleLa duplication des chromosomes nécessite la duplication de la structure de la chromatineLes cohésines maintiennent ensemble les deux chromatides sœursSlide7

Phase SS-Cdk initie la réplication de l'ADN une fois par cycleLa duplication des chromosomes nécessite la duplication de la structure de la chromatineLes

cohésines maintiennent ensemble les deux chromatides sœursSlide8

Réplication de l'ADNLa réplication de l'ADN débute aux origines de réplication qui sont dispersées en de nombreux endroits de chaque chromosomeAu cours de la phase S, l'initiation de la réplication de l'ADN commence à ces origines quand une hélicase à ADN déroule la double hélice à l'origine et charge les enzymes de réplication de l'ADN sur les deux brins séparés d'ADN qui serviront de matriceCela conduit à la phase d'élongation

de la réplication, pendant laquelle la machinerie réplicative avance en s'éloignant de l'origine de réplication à partir de deux fourches de réplication (voir Chapitre Réplication de l’ADN, Réparation et Recombinaison)Slide9

Les 2 étapes de la duplication du chromosomePour s'assurer que la duplication du chromosome ne se fait qu'une seule fois par cycle cellulaire,la phase d'initiation de la réplication de l'ADN est divisée en deux étapes distinctes qui ont lieu à des moments différents du cycle cellulaire (Figure 17-17).Slide10

Contrôle de la duplication des chromosomesLa préparation pour la réplication de l'ADN commence en mitose tardive et en G1 quand les hélicases à ADN sont chargées par de nombreuses protéines à l’origine de réplication pour former des complexes pré-réplicatifs (pré-RC).L'activation par S-Cdk

conduit à l’activation des hélicases à ADN qui déroule l'ADN aux origines et commence les processus de la réplication.Deux fourches de réplication s'éloignent de chaque origine jusqu'à ce que tout le chromosome soit dupliqué.

Les chromosomes dupliqués sont alors séparés en phase M. L'activation par S-

Cdk

pendant la phase S empêche aussi l’assemblage de nouveaux complexes pré-réplicatifs sur de nouvelles origines jusqu'à la prochaine phase G1, — assurant ainsi que chaque origine n'est activée qu'une seule fois par cycle cellulaire.Slide11

La première étape A lieu en fin de mitose et au début de G1 quand une paire d’hélicase à ADN inactive est chargée sur l’origine de réplication formant un volumineux complexe de protéines, appelé complexe pré-réplicatif ou pré-RCCette étape est parfois appelée autorisation des origines de réplication, car l'initiation de la synthèse d'ADN n'est permise qu'aux origines qui comportent un pré-RCSlide12

La seconde étape A lieu en phase S, quand les hélicases à ADN sont activées résultant en un déroulement de l’ADN et l’initiation de la synthèse d’ADNUne fois qu’une origine de réplication a été (mise à feu) activée de cette façon les deux hélicases s’éloignent de l’origine de réplication en même temps que les fourches de réplication et cette origine ne pourra pas être réutilisée tant qu’il ne se sera pas assemblé un nouveau pré-RC à cet endroit à la fin de la mitoseIl en résulte que les origines ne peuvent être activées qu’une seule fois par cycle cellulaireSlide13

Quelques détails moléculaires qui sous-tendent le contrôle des deux étapes dans l’initiation de la réplication de l’ADNSlide14

Contrôle de l'initiation de la réplication de l'ADNLes ORC restent associés à une origine de réplication pendant tout le cycle

Pendant la phase G1 précoce, Cdc6 s'associe à ORCLe complexe protéique qui en résulte lie l’hélicase de l’ADN qui contient 6 sous-unités apparentées appelées protéines

Mcm

L’hélicase s’associe également à une protéine appelée Cdt1

Grâce à l’énergie produite par l’hydrolyse d’ATP, l’

ORC

et les protéines Cdc6 chargent deux copies de l’hélicase à ADN qui sont dans une forme inactive autour de l’ADN à côté de l’origine, constituant ainsi l'énorme complexe pré-réplicatif (pré-RC)

Au début de la phase S, S-

Cdk

stimule l'assemblage de plusieurs autres protéines initiatrices sur chaque hélicase à ADN, alors qu’une autre protéine kinase, la

DDK

, phosphoryle les sous-unités de l’hélicase à ADN. Il en résulte que les hélicases à ADN sont activées et déroulent l’ADN

L'ADN polymérase et d'autres protéines de la réplication sont recrutées et assemblées à l'origine et la réplication de l’ADN peut commencer

La machinerie à réplication déplace l’

ORC

et se refixe. S-

Cdk

et d’autres mécanismes inactivent également les composants du pré RC,

ORC

, Cdc6 et Cdt1empêchant ainsi la formation de nouveaux pré-RC aux origines jusqu’à la fin de la mitoseSlide15

ORC, origin recognition complexUn des participants clé est un volumineux complexe multiprotéique appelé complexe de reconnaissance de l'origine (ORC, origin recognition

complex)est lié aux origines de réplication pendant tout le cycle cellulaireEn fin de mitose et au début de G1, les protéines Cdc6 et Cdt1 collaborent avec l'ORC pour charger les hélicases à ADN inactives autour de l’ADN à côté de l’origineLe très gros complexe qui en résulte est le

pré-RC, et l'origine de réplication a maintenant l'autorisation d'initier la réplicationSlide16

RéplicationAu début de la phase S, S-Cdk déclenche l’activation de l’origine en phosphorylant des protéines initiatrices spécifiques qui nucléent l’assemblage d’un énorme complexe protéique qui active l’hélicase à ADN et recrute les éléments de la machinerie à synthèse de l’ADNUne autre protéine kinase, appelée la DDK

est également activée en phase S et aide la poursuite de l’activation de l’origine en phosphorylant des sous-unités spécifiques de l’hélicase à ADNSlide17

Contrôle de l'initiation de la réplication de l'ADNEn même temps que S-Cdk initie la réplication de l'ADN, plusieurs mécanismes empêchent l’assemblage de nouveaux pré-RCS-Cdk phosphorylent à la fois les ORC

et Cdc6, ce qui provoque leur inhibitionL’inactivation de l'APC/C en fin de phase G1 aide à arrêter l'assemblage du pré-RCEn fin de mitose et au début de la phase G1, l'APC/C déclenche la destruction d'un inhibiteur de Cdt1 appelé, la géminine, permettant ainsi à Cdt1 d’être actif

Quand APC/C s'arrête en fin de phase G1, la géminine

s'accumule et inhibe la Cdt1 qui n’est pas associée à de l’ADN

En plus l’association de Cd1 avec une protéine située sur une fourche de réplication active, stimule la destruction de Cdt1.

Ainsi grâce à ces différents mécanismes la formation de pré-RC est évitée au moment du passage de la phase S à la mitose garantissant que chaque origine ne sera activée (mise à feu) qu’une seule fois par cycle cellulaire.Slide18

Comment alors, le système du cycle cellulaire est-il relancé pour permettre la réplication lors du cycle suivant ?À la fin de la mitose, l'activation d'APC/C déclenche l'inactivation des Cdks et la destruction de la géminine

Les composantes du pré-RC et Cdc6 sont alors déphosphorylées et Cdt1 est activée, ce qui permet l'assemblage du complexe pré-RC qui prépare la cellule à la prochaine phase SSlide19

PHASE SS-Cdk initie la réplication de l'ADN une fois par cycleLa duplication des chromosomes nécessite la duplication de la structure de la chromatine

Les cohésines maintiennent ensemble les deux chromatides sœursSlide20

RappelL'ADN des chromosomes est empaqueté par une grande variété de composantes protéiques, comprenantles histoneset différentes protéines régulatrices, impliquées dans le contrôle de l’expression des gènesAinsi la duplication d’un chromosome ne comporte pas seulement la réplication de l'ADN qui en est le cœur, mais elle nécessite aussi la duplication de toutes ces protéines chromatiniennes et leur assemblage correct sur l'ADN.Slide21

Augmentation de la production des protéines de la chromatine La production des protéines de la chromatine augmente pendant la phase S afin de fournir le matériel de base nécessaire à l'empaquetage des molécules d'ADN nouvellement synthétiséesPlus important encore, les S-

Cdk stimulent une forte augmentation de la synthèse des quatre sous-unités d'histones qui forment l'octamère d'histones qui est au cœur de chaque nucléosomeCes sous-unités s'assemblent en nucléosomes sur l'ADN grâce à l'action des facteurs d'assemblage des histones qui s'associent généralement à la fourche de réplication et distribuent les nucléosomes aux deux brins d'ADN qui émergent de la machinerie de synthèse de l'ADNSlide22

RappelL'empaquetage de la chromatine aide à contrôler l'expression des gènesDans certaines parties du chromosome, la chromatine est très condensée et on l'appelle

hétérochromatinealors que dans d'autres régions, elle a une structure beaucoup plus ouverte et s'appelle euchromatine

Ces différences dans la structure de la chromatine dépendent de nombreux mécanismes, parmi lesquels la modification des queues des histones et la présence de protéines non-histones

Comme ces différences sont très importantes dans la régulation des gènes, il est crucial que la structure de la chromatine, comme l'ADN à l'intérieur, soit reproduite de façon exacte au cours de la phase SSlide23

On ne comprend pas encore très bien, cependant, comment la structure de la chromatine est dupliquéeAu cours de la synthèse de l'ADN, les enzymes de modification des histones et diverses protéines non-histones sont probablement déposées sur les deux nouveaux brins d'ADN alors qu'ils émergent de la fourche de réplication

On pense que ces protéines aident à reproduire la chromatine locale à l'image de celle des chromosomes parentaux (voir Figure 4-45)Slide24

Figure 4-45Slide25

PHASE SS-Cdk initie la réplication de l'ADN une fois par cycleLa duplication des chromosomes nécessite la duplication de la structure de la chromatine

Les cohésines maintiennent ensemble les deux chromatides sœursSlide26

Nécessité de la cohésion des chromatidesÀ la fin de la phase S, chaque chromosome répliqué est composé d'une paire de chromatides sœurs identiques collées l'une à l'autre sur toute leur longueurCette cohésion des chromatides sœurs est le prélude d'une mise en scène réussie de la mitose car elle facilite grandement l'attachement des deux chromatides sœurs par paire aux pôles opposés du fuseau mitotiqueImaginez combien il serait difficile d'effectuer cet attachement bipolaire si on avait permis aux chromatides sœurs de partir à la dérive chacune de son côté, après la phase SEffectivement, des défauts génétiques dans la cohésion des chromatides sœurs — chez des mutants de levure, par exemple — conduisent inévitablement à des erreurs graves dans la ségrégation des chromosomesSlide27

La cohésineGros complexe protéique qui assure la cohésion des chromatides sœursEst déposé à de nombreux endroits le long de chaque chromatide sœurs lors de la réplication de l'ADN pendant la phase SSlide28

CohésineDeux des sous-unités de la cohésine sont des membres d'une grande famille de protéines appelées protéines SMC (Structural Maintenance of Chromosome = maintien de la structure des chromosomes)

La cohésine forme des structures géantes ressemblant à des anneaux et il a été proposé que ces structures formeraient des anneaux entourant les deux chromatides sœurs (Figure 17-19).Slide29

La cohésineLa cohésine est un complexe protéique composé de quatre sous-unités

(A) Deux sous-unités, Smc1 et Smc3, sont des protéines superenroulées avec un domaine ATPase à l'une des extrémités.(B)

Deux sous-unités supplémentaires, Scc1 et Scc3, viennent connecter les domaines de tête de l'ATPase, formant ainsi une structure en anneau qui peut encercler les chromatides sœurs, comme montré en(C)

Les domaines de l'ATPase sont nécessaires au chargement de la

cohésine

sur l’ADN.Slide30

La cohésineLa cohésine est un complexe protéique composé de quatre sous-unités.

Deux sous-unités, Smc1 et Smc3, sont des protéines superenroulées avec un domaine ATPase à l'une des extrémitésSlide31

La cohésineLa cohésine est un complexe protéique composé de quatre sous-unités

Deux sous-unités supplémentaires, Scc1 et Scc3, viennent connecter les domaines de tête de l'ATPase, formant ainsi une structure en anneau qui peut encercler les chromatides sœurs, comme montré sur la dia suivanteSlide32

La cohésineLa cohésine est un complexe protéique composé de quatre sous-unités

Deux sous-unités supplémentaires, Scc1 et Scc3, viennent connecter les domaines de tête de l'ATPase, formant ainsi une structure en anneau qui peut encercler les chromatides sœurs, comme montréLes domaines de l'ATPase sont nécessaires au chargement de la cohésine

sur l’ADN.Slide33

Intervention de l'enzyme topoisomérase II La cohésion des chromatides sœurs résulte aussi, du moins en partie, de la concaténation de l'ADN, c'est-à-dire de l'entrelacement, tête à queue, des deux molécules sœurs d'ADN, qui a lieu quand deux fourches de réplication se rencontrent lors de la synthèse de l'ADNC'est l'enzyme topoisomérase

II qui démêle progressivement les ADN sœurs concaténés entre la phase S et le début de la mitose, en coupant l'une des molécules d'ADN, en passant l'autre molécule à travers la coupure, puis en scellant la coupure de l'ADNSlide34

(voir Figure 5-23)Slide35

Cohésion des chromatides sœursUne fois que les concaténères ont été séparés, la cohésion des chromatides sœurs dépend avant tout des complexes de cohésineLa perte soudaine et synchrone de la cohésion des chromatides sœurs à la transition entre métaphase et anaphase dépend donc d'abord de la destruction de ces complexes, comme nous le verrons plus loinSlide36

RésuméLa duplication des chromosomes au cours de la phase S implique la copie exacte de toute la molécule d'ADN de chaque chromosome, ainsi que la duplication des protéines de la chromatine qui s'associent avec l'ADN et gouvernent différents aspects des fonctions des chromosomesLa duplication des chromosomes est déclenchée par l'activation de S-Cdk, qui active les protéines qui déroulent l'ADN et initient sa réplication sur des sites dans l'ADN appelés origines de réplication

Une fois qu’une origine de réplication est activée, S-Cdk inhibe les protéines qui sont nécessaires pour permettre à cette origine d'initier à nouveau la réplication de l'ADNAinsi, chaque origine de réplication fonctionne (est mise à feu) une fois et seulement une au cours de chaque phase S et ne peut pas être réutilisée avant le prochain cycle cellulaireSlide37

Phase SFinSlide38

Le cycle cellulaireVue d'ensemble du cycle cellulaireLe système de contrôle du cycle cellulaireLa phase SLa mitoseLa

cytocinèseMéioseContrôle de la division et de la croissance cellulaire