retour panorama, plan du cours de 1èreS


Les divisions cellulaires

Bases de la classe de seconde indispensables :
Qu'est-ce qu'une cellule ? (et la théorie cellulaire)


Cette page est une mise à niveau de 1èreS de l'ancienne page de seconde « Comment les cellules se multiplient-elles ?» avec des éléments des anciennes pages de 1èreS sur les divisions de croissance végétale.

Plan





1 - Le cycle cellulaire d'un procaryote : Escherichia coli



Le programme est centré sur la division des cellules eucaryotes mais un petit aperçu de la division des Prtocaryotes est plus qu'utile.

Ancien cours de seconde:
Comment les cellules se multiplient-elles ?


ultrastructure de la
cellule procaryote


Le cycle cellulaire comprend les événements situés entre deux divisions.

Il commence donc, pour une cellule, lors de sa séparation d'avec sa cellule sœur; et finit lors de sa séparation en deux cellules filles.


Le cycle cellulaire commence par un allongement de la cellule, sans augmentation de diamètre, qui atteint ainsi 2 fois sa longueur initiale : c'est la croissance cellulaire. Comme il n'y a pas d'augmentation de diamètre on peut penser que la masse initiale double pendant cette croissance étant donné que la bactérie peut être assimilée à un cylindre de diamètre constant. Pendant cette croissance l'ADN est dupliqué et de nombreuses protéines dites protéines de division sont synthétisées.

Si l'on bloque la réplication de l'ADN on empêche la division et la cellule s'allonge démesurément en formant un long filament. La division cellulaire commence presque toujours, quelque soient les conditions de culture de la bactérie et donc quelque soit la durée du cycle cellulaire, 20 minutes avant la fin de la réplication. Mais plusieurs réplications sucessives peuvent intervenir avant la division. Ainsi E. coli pourrait contenir en moyenne environ 6 molécules d'ADN (et non pas une seule).


La division a donc une durée presque fixe de 20 min alors que la phase de croissance a une durée variable selon les conditions de nutrition.

La division d'E. coli se fait par scissiparité : étranglement (formation d'un septum) puis séparation (scission). Ce mode de division s'oppose au bourgeonnement (excroissance d'une sphère de petite dimension) ou aux modalités de la cytodiérèse des cellules eucaryotes qui accompagnent la mitose, qui désigne plus précisément les phénomènes nucléaires).

Le cycle cellulaire d'E. coli est donc la succession d'un allongement et d'une séparation d'une structure unique, phénomène dont la durée est sous la dépendance des conditions du milieu et de mécanismes moléculaires internes comme la réplication de l'ADN.




Les documents cinématographiques pour les bactéries sont peu nombreux car difficiles à obtenir du fait de la petite taille des cellules (on ne peut pas prendre en film en microscopie électronique puisque l'objet observé est mort, fixé, coloré (OsO4) et observé sous vide !!!!!). Quelques petits films pris en microscopie optique avec ou sans fluorescence sont disponibles sur internet.


Les films de Shapiro sont superbes : par exemple : http://shapiro.bsd.uchicago.edu/ singlecell_microcol_08_88.mov ; mais ils manquent d'explications (technique, temps séparant deux images...).


Voici un extrait (avec l'aimable autorisation de Jim Shapiro) présentant la première division qui dure -je crois pouvoir lire- 1h
la cellule en division se trouve dans le coin inférieur droit; le temps défile en haut à gauche (21: 00 min au départ ?)
D'autres documents vidéo sont consultables à l'adresse: http://shapiro.bsd. uchicago.edu/ index3.html?content=bacteria.html





Beaucoup mieux, la croissance d'une microcolonie de Bacillus subtilis (dont les certaines cellules sporulent (forment des petites spores sphériques reproductives) et d'autres meurent...) dans le dernier article de l'équipe Jan-Willem Veening, Eric J. Stewart, Thomas W. Berngruber, François Taddei, Oscar P. Kuipers et Leendert W. Hamoen (Bet-hedging and epigenetic inheritance in bacterial cell development, PNAS 18 mars 2008, vol 105, n°11, 4393-4398 : http://www.pnas.org/ content/105/ 11/4393 ).

On peut aussi voir le site commercial de cells alive (http://www.cellsalive. com/ qtmovs/ ecoli_mov.htm) mais c'est à la limite de l'animation informatique.


Je conseille par exemple le film n°1 qui correspond à une durée de 35h (247 images). Les 122 premières images correspondent à une image toutes les 5 minutes. Ensuite une image toutes les 12 minutes. Dans le cadre du bas les images sont prises en fluorescence (la souche modifiée par la protéine GFP est PspoIIA-gfp).



film n°1 (3,3 Mo): http://www.pnas.org/ content/suppl/ 2008/03/10/ 0700463105.DC1/ 00463Movie1.mpg
légende en anglais:
http://www.pnas.org/ content/ 105/11/ 4393/suppl/DC1




Le cycle cellulaire - d'une durée de 60 min - d'une souche d'Escherichia coli à croissance lente


Pour une image au MET voir par exemple le site de Markus Drechsler (E. coli au MET en coloration négative à l'uranylacétate).

Données moléculaires très récentes sur l'organisation du nucléoïde.


La structure du nucléoïde bactérien observé en ME - sous forme d'une zone plus claire, moins opaque aux électrons et souvent attachée à la membrane cellulaire (voir cours de seconde) - reste mal connue.


Il contiendrait environ 40% d'ADN, un peu d'ARN et près de 60% de protéines (mais ce n'est pas le cas de toutes les bactéries, loin de là, un grand nombre contiennent un nucléoïde d'ADN presque pur). La forme "théorique" ou plutôt le modèle, qui cadre avec les résultats expérimentaux, serait une boucle unique entortillée et empaquetée grâce à des protéines de type non-histones (différentes des protéines de la chromatine et du chromosome eucaryote) (voir chromosome). La taille de l'unique molécule d'ADN en boucle serait d'environ 1400µm chez Escherichia coli.


De petits ADN circulaires ou plasmides sont le plus souvent présents dans le cytoplasme. Ils ne sont pas indispensables à la division cellulaire mais contiennent des gènes pouvant être exprimés. Ils sont répliqués de façon non synchrone avec l'ADN du nucléoïde.

Les mécanismes moléculaires de la réplication seront traités avec la molécule d'ADN dans la partie biochimique du cours.



Pour simplifier, par commodité, et comme c'est l'usage, nous représenterons ABUSIVEMENT le nucléoïde comme une unique boucle d'ADN de petite taille non enroulée.




Remarque :
la multiplication bactérienne peut être considérée comme une multiplication de croissance de la colonie et non une reproduction


En effet cette description de la multiplication cellulaire bactérienne ne prend pas en compte le niveau d'organisation supérieur à la cellule (la colonie). De nombreuses bactéries gardent en commun leur revêtement de sucres (glycocalix), une paroi (streptocoques en chaînettes...). On observe une véritable différenciation entre les cellules au centre de la colonie (certaines sont mortes) et celles qui sont sur les bords... Certains chercheurs comme Shapiro n'hésitent pas à affirmer que les bactéries sont des organismes pluricellulaires. L'individu étant la colonie. Les phénomènes de multiplication des cellules sont alors comparables aux phénomènes de croissance tissulaire lors du développement d'un pluricellulaire.

(Pour avoir une vue des travaux de James Shapiro, voir par exemple : http://shapiro.bsd. uchicago.edu/ Shapiro98AnnRevMicro.pdf ).




Certains résulats récents d'une équipê fraçaise viennent conforter cette vision grâce à la mise en évidence du vieillissement cellulaire des bactéries qui gardent en mémoire l'âge de leur cytioplasme.

Les expériences de Eric Stewart, Richard Madden, Gregory Paul et François Taddei sont rapportées dans un article de PLOS de février 2005 (article complet en anglais disponible à l'adresse http://biology.plosjournals. org/perlserv/? request=get-toc&issn= 1545-7885&volume=3&issue=2).

Je vous encourage à lire les explications en français qui sont à l'adresse http://www.forumlabo.com /2006/ actus/actus/ INSERM/0305bacterie.htm.

Une des 96 vidéos (microscopie en fluorescence; 1 image toutes les 4 min de 0 à 160 min et 1 image toutes les 2 minutes ensuite) de la croissance d'une microcolonie qui atteint 505 cellules en 305 min: http://biology.plosjournals.org/ archive / 1545-7885/3/2/ supinfo/10.1371_ journal.pbio. 0030045.sv001.wmv


Une microcolonie avec reconnaissance et coloriage automatique des cellules
http://biology.plosjournals. org/ perlserv/ ?request= slideshow & type=figure &doi= 10.1371 / journal.pbio. 0030058&id=21204

Ils ont suivi au microscope (pendant 6h avec 94 vidéos (voir ci-contre) et sur plus de 35.000 cellules) et analysé automatiquement les images numérisées de la croissance d'une culture de la bactérie Escherichia coli . Ce suivi visuel de la lignée bactérienne a été rendu possible par la caractéristique morphologique de la bactérie qui est en forme de bâtonnet et qui se divise par allongement, ce qui permet de considérer un pôle ancien et un pôle nouveau, au niveau du sillon de division (voir l'image: http://biology.plosjournals.org/ perlserv/ ?request= slideshow&type= figure&doi=10.1371 / journal. pbio.0030045&id=22668). Les limites de cette méthode sont la formation de plusieurs couches de cellules ou bien sûr la sortie du champ de la caméra. Mais on peut aussi imaginer d'autres phénomènes de déplacement de matière au sein de la cellule qui rendraient ces observations, purement morphologiques et externes à partir d'une forme figée, fausses.
Ainsi lors d'une seconde division, chaque bactérie fille n'a qu'un pôle ancien et un pôle nouveau et donne à son tour deux bactéries dont une hérite donc d'un pôle plus ancien que l'autre.
Ils ont ainsi mis en évidence que cette bactérie donnait naissance à des bactéries qui petit-à-petit cessaient de se diviser. Ce suivi des pôles constitue un traceur de l'âge métabolique de la bactérie qui peut être relié ici à une polarité liée à la géométrie grossièrement cylindrique de la cellule. Ainsi une bactérie âgée (plus de 4 divisions) a de grandes chances de mourir avant de se diviser. Les chercheurs ont ainsi observé une synchronisation approximative de la mort pour les bactéries de même âge issues d'une même lignée.


L'âge des pôles est indiqué par un chiffre. Une cellule bactérienne possède donc 2 pôles :
un pôle
très récent (0) et un pôle ancien (de 1 à 7 au maximum pour l'étude présentée...). Plus son pôle ancien est âgé moins la cellule se divise rapidement (voir figure ci-contre ->). Elle finit par cesser de se diviser (en extrapolant les résultats présentés on trouve un valeur d'environ 100 divisions) et mourir (16 cellules seulement lors des suivis ont cessé de se diviser).
(voir l'image NON MODIFIÉE et avec sa légende en anglais:
http://biology. plosjournals.org/ perlserv/? request= slideshow& type= figure &doi=10.1371/ j ournal.pbio. 0030045&id= 22668)
La croissance cellulaire est clairement dépendante de l'âge des pôles (baisse de 1% environ de la valeur initiale par division; en moyenne le pôle ancien présente une baisse de 2,2% (± 0,1) du taux de croissance par rapport au pôle récent).

Le taux de croissance cellulaire représenté sur l'axe des y est rapporté au taux de croissance de toutes les cellules de même génération et localisation dans chaque film. Sur l'axe des x les divisions successives sont représentées avec soit un pôle juvénile (cercles vides), montrant un rajeunissement, soit un pôle ancien (cercle plein) montrant un vieillissement. Les cellules représentées à chaque point sont: divisions du pôles récent: 1 - 7: 7,730; 3,911; 1,956; 984; 465; 211; 89; division du pôle ancien 1 -7: 4,687; 3,833; 1,933; 956; 465; 213; 75.
image avec légendes modifiées de
http://biology.plosjournals.org/ perlserv/? request= slideshow& type= figure&doi=10.1371/ journal.pbio. 0030045&id=22676



Ces résultats montrent que, pour l'espèce étudiée et dans les conditions expérimentales ci-dessus,
- chaque bactérie est donc bien pour partie ancienne et pour partie nouvelle (hypothèse de continuité)
- le temps de génération d'une bactérie n'est pas le bon critère pour mesurer son âge ((sa durée de vie) mais c'est le nombre moyen de divisions qui a donné naissance au cytoplasme, donc, en fait, l'âge du cytoplasme. Il s'agit donc plus d'un vieillissement du cytoplasme que de l'âge de l'individu qui pourrait être mesuré par le temps de génération.
On peut donc penser que ces résultats apportent des arguments en faveur de l'hypothèse de Shapiro selon laquelle les bactéries sont des organismes pluricellulaires. L'individu le plus abouti étant la colonie. Comme dans un pluricellulaire, à un instant donné il possède des cellules anciennes et des celllules de plus en plus récentes (Pour avoir une vue des travaux de
James Shapiro, voir par exemple : http://shapiro.bsd.uchicago.edu/ Shapiro98AnnRevMicro.pdf ).

Remarque 04/2011:

Les bactéries communiquent grâce à des nanotubes, Anne Debroise, La Recherche, 452, mai 2011, 20

Intercellular nanotubes mediate bacterial communication, Dubey and Ben-Yehuda, Cell, 144, 590, 2011



De grands (flèche verte, environ 130 nm de Ø) et petits (cercle en pointillés, environ 30 nm de Ø) nanotubes assurant une communication cytoplasmique entre des cellules de Bacillus subtilis (le diamètre du cercle est d'environ 0,8 µm)
Image extraite de l'original accessible ici librement (sans autorisation mais avec une résolution très faible)

On connaissait déjà les "pili" ou "poils sexuels" qui étaient des ponts cytoplasmiques établis entre bactéries CONJUGUANTES. Ces dernières s'échangeaient alors du matériel génétique dans le sens donneuse -> receveuse.
Un nouveau mode de communication a été découvert au sein d'une culture de bactéries (Bacillus subtilis) dont certaines cellules marquées à la protéine GFP
(Green Fluorescent Protein, et donc fluorescentes de couleur verte) transmettaient leur fluorescence aux cellules voisines non marquées (non modifiées génétiquement par l'insertion du gène de la GFP).
Ces bactéries établissent entre elles des nanotubes (de diamètre plus ou moins important de 130 à 30 nm). Les substances chimiques, protéines, ARN et même ADN (plasmides ??) pourraient passer par ces tubes. La protéine GFP est déjà assez grosse (Ø ~= 4 nm). Des particules d'or ont aussi été suivies par microscopie en train de passer d'une cellule à l'autre.
Enfin une expérience de transfert de résistance à un antibiotique a été réalisée au sein d'une culture mixte de cellules résistant à l'un ou l'autre antibiotique
(chloramphénicol et lyncomycine). Les souches mises en présence ont résisté aux deux antibiotiques appliqués simultanément, apportant ainsi un argument de poids pour le transfert de la résistance entre souches, qui aurait probablement comme support l'ADN (plasmides).

Ces nanotubes ont été observés aussi bien entre les cellules d'une même espèce bactérienne (B. subtilis) qu'entre cellules d'espèce différente (B. subtilis et Staphylococcus aureus).
Ces liaisons intercellulaires confèrent donc une possibilité de communication inter et intraspécifique.

Ce mode de communication doit encore être exploré (généralité, sens du transfert, mode d'apparition des ponts, mécanisme moléculaire du transport des substances, devenir des molécules transférées...).


2 - Le cycle cellulaire d'une cellule eucaryote
Le cycle cellulaire des eucaryotes à surtout été étudié chez la levure de bière. Les données obtenues chez les cellules en culture et les cellules embryonnaires sont les plus nombreuses pour les animaux. Selon l'organisme, l'âge de la cellule, et le type cellulaire, on a des différences fondamentales. Seuls quelques points communs ou particulièrement marquants seront présentés ici.





2.1 - Dans une cellule eucaryote, la plupart des structures sont en permanence l'objet de phénomènes dynamiques de fusion-séparation



ultrastructure de la cellule eucaryote

Les représentations en 3D dynamiques sont TOUTES (à ma connaissance) très imparfaites étant donné qu'elles supposent des organites - même lorsqu'ils sont déformables - comme flottant dans un cytoplasme plus ou moins liquide. Le cytoplasme est STRUCTURÉ sans pratiquement aucune eau libre (voir image et page sur l'eau dans la cellule). Je préfère encore les dessins statiques, même de piètre qualité:

Schéma pour éviter de penser que les organites flottent dans un gel :


La microscopie électronique AVEC INCLUSION dans la résine, en focalisant l'attention sur les membranes, a favorisé une vision statique de la cellule basée sur une compartimentation membranaire. De plus, comme les traitements utilisés supprimaient un grand nombre de protéines cellulaires, on est passé à côté de la structure du cytoplasme (que l'on a appelé hyaloplasme, en pensant qu'il était plus ou moins vide de structure, voir Penman, 1995).

Cette vision est fausse.

Grâce aux techniques de microscopie électronique sans inclusion dans la résine on a pu voir la cytomatrice dans toute sa richesse (nombreux filaments et autres amas denses que l'on trouve aussi dans le nucléoplasme) et surtout visualiser les lamina protéiques qui entourent la cellule et le noyau (face interne) et qui la limite bien davantage que les membranes fluides.
D'autre part, les méthodes de marquage immunologique à l'aide de colorants fluorescents (fluorochromes) ont permis de visualiser les structures EN MOUVEMENT. On s'est ainsi rendu compte que TOUTES les structures cellulaires - à l'exception notable du noyau au repos - étaient des structures dynamiques sans cesse en train de fusionner et de se séparer (voir film ci-contre pour les mitochondries de la levure de bière).

Pour simplifier, on aurait donc une lamina externe, un cytoplasme très structuré où les organites dynamiques sont sans arrêt en train de se former et de se séparer, et une structure centrale, le noyau, au sein d'une cavité du réticulum (REG), stable, mais dont le nucléoplasme serait aussi fortement structuré et limité par une lamina nucléaire collée à l'enveloppe du réticulum qui le limite.


Les bicouches lipidiques des organites dynamiques (mitochondries, RE, Golgi ... ) n'ont pas été représentées.


Réseau mitochondrial de la levure de bière (les prises de vue qui défilent sont espacées de 3 min; barre = 2 µm; avec l'aimable autorisation de J. Nunnari)

 

La structuration du cytoplasme (matrice) me semble être d'une indiscutable évidence. Il est structuré comme un gel qui entretient la formation de filaments qui donnent la direction des mouvements intracellulaires, qui supportent l'anisométrie de la forme cellulaire et les variations nécessaires de viscosité. C'est un gel vivant, à la fois dynamique et capable de répondre par des changements structuraux à de nombreux stimuli tout en préservant la capacité à retrouver la forme habituelle.
It seems to me that the evidence for a structured cytoplast (matrix) is incontrovertible . It is structured like a gel that incorporates formed filaments for purposes of giving direction to intracellular motion, anisometry to cell form, and useful variations in viscosity . It is a living gel, at once dynamic and capable of responding by structural changes to numerous stimuli and yet preserving the capability of reverting to a preferred form .
in La cytomatrice ; K.R. Porter (1984) traduction disponible ici. ; The Cytomatrix: A Short History of his Study, K.R. Porter, 1984, The Journal of the Cell Biology, vol 99, n°1; Rethinking cell structure, Review, Sheldon Penman, 1995, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, Vol. 92, pp. 5251-5257, June 1995 Repenser la structure cellulaire traduction disponible ici ()

Quelques compléments

une page avec quelques dessins simples en 3D: la cellule


Le cytosquelette a longtemps désigné les seuls microtubules.
Les microtubules (cylindres creux et rectilignes de 25 nm de diamètre) et les filaments d'actine (microfilaments flexibles d'environ 5 à 9 nm de diamètre) constituent un cytosquelette dynamique.
Il existe aussi des filaments intermédiaires (d'environ 10 nm de diamètre), par exemple ceux qui constituent un réseau dense situé contre la membrane interne de l'enveloppe nucléaire et que l'on qualifie de lamina nucléaire.
Les microtubules forment un réseau qui rayonnent à partir d'une structure particulière qualifiée de "centre organisateur des microtubules" qui, sauf chez les plantes et quelques autres organismes chloroplastiques, notamment unicellulaires, comporte deux petits cylindres protéiques creux disposés perpendiculairement l'un à l'autre que l'on appelle centrioles. Le centre organisateur des cellules animales comportant deux centrioles est appelé centrosome.
Les microtubules sont des structures dynamiques qui s'allongent ou raccourcissent très rapidement et continuellement.

Le terme cytosquelette, étant donné les progrès de la microscopie électronique, doit désormais aussi prendre en compte le réseau réticulé de protéines et autres structures observées à haute résolution dans la cytomatrice.



Début 2011 a été publié dans Science un article (Berning, et al. Science 335 (6068)) décrivant les résultats obtenus à partir de la technique de la STED (Stimulated Emission Depletion) permettant l'acquisition d'une image OPTIQUE (en fluorescence - c'est ce que l'on apelle la nanoscopie avec fluorescence en champ lointain) avec une résolution pouvant atteindre 0,1 nm, soit bien moins que les 250 nm habituellement considérés comme la limite physique de l'observation d'objets à la lumière.

Les vidéos de croissance de neurites (expansions cellulaires des neurones) sont visibles sur Youtube:
http://www.youtube.com/watch?v=ZOcfsf2M7jk&feature=youtu.be




2.2 - Pendant la phase de repos ou de croissance cellulaire, le noyau est au repos en interphase, mais il réplique son ADN avant la division

La cellule eucaryote ne doit pas obligatoirement croître ou se diviser comme la cellule procaryote, elle peut être au repos.

Lors de la phase de repos (ou quiescence) de la cellule, le noyau est aussi au repos, mais dans un état particulier (phase G0 de l'interphase). Il serait sans doute judicieux de ne plus appeler cet état interphase.
Toutes les cellules ne présentent pas de phase G0 et donc enchaînent des cycles cellulaires avec croissance puis division.

Lorsque la cellule est en croissance, l'interphase du noyau correspond à trois phases successives: G1, S puis G2.

Les phases G (en anglais G pour "gap" qui signifie "fossé") sont des phases d'attente et la phase S la phase de synthèse (S pour "synthesis" =synthèse... de l'ADN bien sûr).
C'est donc pendant la phase de croissance de la cellule que le noyau en interphase va répliquer son ADN (phase S) avant de revenir à une phase de repos G2.

La durée du cycle cellulaire peut être tellement allongée du fait de l'apparition d'une phase G0 que la notion même de cycle perd son sens. Chez les pluricellulaires qui renouvellent leurs tissus et organes, certains cycles cellulaires durent typiquement 24h (épithéliums, cellules immunitaires...), alors que d'autres durent toute la vie ou au moins des dizaines d'années (cellules du rein, du foie...).



La réplication de l'ADN précède toute division (sauf dans le cas de la deuxième division de la méiose, voir cours de terminale).

Nous verrons le détail des phénomènes moléculaires de la réplication de l'ADN dans le prochain chapitre.

Pendant toute l'interphase, le métabolisme cellulaire est actif et de nombreuses molécules sont synthétisées.



Une autre représentation du cycle cellulaire qui met en évidence le lien entre le nombre de molécules d'ADN et le nombre et les types de chromosomes.




Lors de l'interphase, le noyau contient une substance qui peut être colorée très facilement par des colorants basiques : la chromatine.

La chromatine contient environ 50% d'ADN et 50% de protéines.


La chromatine forme habituellement un enchevêtrement de fibres (en "réseau") mais peut aussi prendre un aspect plus condensé (les zones denses sont appelées "chromocentres"). On parle de fibre chromatinienne qui aurait un diamètre d'environ 30 nm.

La fibre chromatinienne est un solénoïde de 30 nm de diamètre qui comporte des protéines histones. Un octamère d'histones (composé de 8 protéines de type H2A, H2B, H3 et H4) intervenant dans la structure des nucléosomes autour duquel s'enroule l'ADN alors que les grosses molécules d'histones de type H1 structureraient un assemblage de 6 nucléosomes en un solénoïde pour former la fibre. (voir document TP)


  coloration bleu de méthylène,
cellules de racine d'oignon
http://www.microscopy -uk. org.uk/ mag/artnov 04macro/ jronionroot.html


voir image sur le site Bmedia de jussieu


On peut la mettre en évidence par coloration de Feulgen ou par le test de Brachet

Dans les coupes ultrafines observées au microscope électronique (MET) la technique est bien différente de la coloration réalisée pour le MO. Mais on garde le terme de chromatine pour désigner la substance osmiophile (qui fixe le tétroxyde d'Osmium, le colorant opaque aux électrons utilisé) MAIS ce n'est pas forcément la même structure que la chromatine vue au MO.
On distingue ainsi l'euchromatine, claire au ME (qui correspondrait à un filament d'ADN actif associé à des nucléosomes régulièrement espacés) et l'hétérochromatine, plus colorable (sombre au ME), très condensée (elle est répliquée tardivement en phase S et contiendrait peu de gènes).

Remarque:
il serait faux de croire que le nucléoplasme est vide. Grâce à des techniques modernes de préparation sans inclusion dans la résine on a pu voir la structure du nucléoplasme avec des microfilaments et des trabécules. Voir par exemple: Repenser la structure cellulaire
traduction disponible ici (Rethinking cell structure, Review, Sheldon Penman, 1995, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, Vol. 92, pp. 5251-5257, June 1995) (Rethinking cell structure, S. Penman, PNAS, Vol. 92, pp. 5251-5257, June 1995), texte original disponible ici
Fig 3 (extrait)

Les microfilaments du noyau (CF, core filaments) d'une cellule
HeLa


Les protéines de la chromatine sont de 2 types :
- les histones (protéines basiques) structurent l'ADN à la fois dans la chromatine et dans le chromosomes ;
- les protéines acides (non-histones) sont plus ou moins étroitement liées au complexe ADN-histones. Par exemple, l'armature du chromosome serait constituée essentiellement de l'enzyme topoisomérase II capable de faire passer un brin d'ADN à travers un autre.
Dans la plupart des espèces étudiées, on dénombre plus d'une centaine de variétés moléculaires comprenant une trentaine de protéines intervenant dans la morphologie du chromosome et des protéines impliquées dans la régulation de la synthèse de l'ADN et de l'ARN. Leur effectif varie donc au cours du cycle cellulaire et dans les différents tissus ; leur rôle exact reste encore bien souvent mal défini. (EU "chromosomes").

L'association protéines-ADN est dynamique avec une durée d'association de l'ordre de quelques minutes (l'association se forme et se défait sans cesse). (HCC, p 42)

Le ou les nucléoles sont des inclusions très facilement colorables par les colorants basiques, la plupart du temps sphériques et d'aspect homogène. Ils sont constitués par des zones particulières (organisateur nucléolaire) de certains chromosomes. Ces nucléoles, en nombre défini pour une espèce, contiendraient de multiples exemplaires des gènes codant pour des ARN ribosomiaux.

Il existe aussi une certaine quantité d'ADN extrachromosomique chez certaines espèces.


Repliement de la fibre chromatinienne dans le noyau interphasique:
un article récent de Science présente un modèle obtenu à partir de techniques très sophistiquées de séquençage d'ADN à l'aide de puces (voir
page sur les génomes).

TP9 - Mitose et chromosomes



2.3 - Pendant la phase de division cellulaire (cytodiérèse), le noyau subit une mitose

La mitose c'est la division du noyau.

La division cellulaire comprend la cytodiérèse et la mitose.


La division cellulaire comprend :
- la division du cytoplasme ou cytodiérèse (ou encore cytokinèse)
- et la division du noyau ou mitose.
Mais il n'est pas rare que le terme mitose soit employé pour désigner à la fois la division du noyau et celle du cytoplasme ; c'est un abus.


Les organites sacculaires (en forme de sacs) et/ou tubulaires (en forme de tubes) comme les mitochondries (et les chloroplastes dans les cellules qui en possèdent), l'appareil de Golgi et le réticulum endoplasmique sont DYNAMIQUES et donc, lors de la cytodiérèse, ils n'ont aucune difficulté à se séparer pour se répartir dans les deux cellules filles.

La cytodiérèse est habituellement commandée par un anneau de filaments d'actine (une protéine contractile) qui se permet m'étranglement puis sa séparation du cytoplasme en deux cellules filles.



image (externe m/s) dans une page Dans ce noyau en début de prophase, les microtubules sont en gris, les centrioles en jaune, le Golgi en rouge et l'enveloppe nucléaire en cours de fragmentation est en vert.

2.3.1 - La mitose commence par la condensation de la fibre chromatinienne en chromosomes




L'étymologie du mot chromosome est suffisamment précise pour que l'on réserve le terme aux bâtonnets colorables apparaissant lors de la mitose chez les eucaryotes. Seulement, il existe de nombreuses personnes qui persistent à employer le mot chromosome pour désigner toute molécule d'ADN d'une cellule, tant procaryote qu'eucaryote. Il faut éviter cette confusion. Les membres du GTD qui ont énoncé le programme de 1èreS n'ont pas fait mieux en affirmant: «Les chromosomes sont des structures constantes des cellules eucaryotes qui sont dans des états de condensation variables au cours du cycle cellulaire.» Certes le mot n'est pas élargi aux procaryotes... explicitement, mais il est évident que le mauvais usage ne peut que se répandre.

Du point de vue chimique, c'est la chromatine (ADN + protéines) extraite du noyau sous forme d'une fibre plus en moins enroulée qui est permanente. On pourrait donc dire que « la fibre chromatinienne est une structure permanente du noyau des cellules eucaryotes». En tout cas il est hors de question d'appeler "chromosome" la molécule d'ADN des procaryotes, qui n'est que parfois associé à des protéines, qui d'ailleurs ne sont pas des histones.



La mitose commence avec l'apparition des chromosomes (du grec chromo = couleur et soma = corps) qui sont des bâtonnets plus ou moins allongés, facilement colorables et qui sont déplacés grâce à un réseau assez complexe de microtubules qui forment le fuseau mitotique.

Les chromosomes sont des organites (au sens large, car ils n'ont pas de membrane limitante) de quelques µm de long pour 0,7 µm de diamètre.

 Ancienne page chromosomes

Lors de la mitose (division du noyau, voir ci-dessous) toutes les observations portent à croire que la chromatine se condense en chromosomes.


PAGE AVEC VERSION  FRANÇAISE
d'une vidéo sur la compaction de la fibre chromatinienne en chromosome

Ancienne page chromosomes


Les chromosomes sont aussi facilement colorables que la chromatine avec des colorants basiques. Les chromosomes contiennent plus de protéines que d'ADN (1/3 d'ADN et 2/3 de protéines).

Les protéines se répartiraient pour moitié en protéines histones et pour moitié en non-histones.


Image provisoire venant du TP 9 - Mitose et chromosomes (extrait de Analyse génétique moderne, fig 2-22)

Dans un film du CERIMES (http://www.cerimes.fr/la-banque-dimages/ mitose-debut-de-prophase -a-telophase.html), il est particulièrement clair que ce sont des territoires nucléaires qui donnent naissance aux chromosomes.

(le
film complet est téléchargeable sous le nom "mitoses dans l'endosperme", 34Mo en mp4, malheureusement on ne connaît pas les différentes conditions expérimentales de chaque séquence... il s'agit de mitoses dans le tissu de réserve de la graine d'Angiospermes (ici Haemanthus katherinae, une Liliacée) et donc d'albumen (endosperm en anglais car ce mot désigne en français les réserves de la graine des gymnospermes)...).

Références de l'article: Three-Dimensional Maps of All Chromosomes in Human Male Fibroblast Nuclei and Prometaphase Rosettes
Andreas Bolzer, Gregor Kreth, Irina Solovei, Daniela Koehler, Kaan Saracoglu, Christine Fauth, Stefan Müller, Roland Eils, Christoph Cremer, Michael R. Speicher, Thomas Cremer
PLoS Biology Vol. 3, No. 5, e157 DOI: 10.1371/journal.pbio.0030157


Pour des données plus récentes, on peut voir par exemple un article en anglais accessible sur le net librement (licence Creative Commons Attribution) est à l'adresse http:// biology.plosjournals. org/archive/ 1545-7885/3/5/pdf /10.1371_ journal.pbio. 0030157-S.pdf dont voici une figure (Fig. 1-D - réf: 10.1371/journal.pbio.0030157.g001) particulièrement accrocheuse:


Le positionnement des 46 chromosomes (dans un état de décondensation croissant de la gauche vers la droite) d'un fibroblaste humain en reconstitution 3D simulant les résultats obtenus par microscopie
(voir l'article pour des précisions)

J'aime beaucoup la légende ajoutée par La Recherche (brève du n°388, juillet-août 2005, 15): Paysage nucléaire, qui rappelle le paysage épigénétique de Waddington (voir page annexe).

Remarque:
lors de l'apparition des chromosomes, les microfilaments du nucléoplasme jouent certainement un rôle, même si celui-ci reste très incertain. Voir par exemple: Repenser la structure cellulaire
traduction disponible ici (Rethinking cell structure, S. Penman, PNAS, Vol. 92, pp. 5251-5257, June 1995), texte original disponible ici
Fig 5 (extrait)

Suspension des chromosomes (Chr) au sein du réseau de microfilaments nucléoplasmiques entremêlés d'une cellule
HeLa


Remarque ;
la structure des chromosomes n'est pas connue avec certitude, mais le repliement de la fibre chromatinienne en une structure condensée est un modèle robuste.
(voir TP)

Les boucles rattachées à une armature seraient dans un état plus ou moins condensé selon l'état de la chromatine. La question de savoir si cette fibre correspond à une unique et gigantesque molécule d'ADN - comme cela est le plus souvent affirmé - ou bien si l'ADN se trouve sous forme de petites boucles enchâssées au niveau de l'armature de la chromatide, est finalement plus une question de dynamique que de structure, étant donné que l'on pense que l'armature est justement principalement composée du système enzymatique (topoisomérase II) capable de couper et recoller extrêmement rapidement la molécule d'ADN.

Des électronographies de structures de chromosomes "éclatées" sont données pour "preuve" de la présence d'une unique molécule.



Modèle un peu dépassé : l'organisation très structurée en rosettes a laissé la place à un enroulement plus ou moins lâche, mais de même type entre la fibre chromatinienne interphasique et le chromosome. Le solénoïde de 30 nm de diamètre s'enroulerait autour d'une armature protéique.


Dans le cas d'une cellule humaine, les 46 chromosomes sont donc associés à 46 immenses molécules d'ADN,
dont la longueur totale atteint environ 2m (ce qui fait environ 2 cm d'ADN par chromosome).




  coloration bleu de méthylène,
cellules de racine d'oignon
http://www.microscopy -uk. org.uk/ mag/artnov 04macro/ jronionroot.html

Caryotype

 

Ancienne page chromosomes


La technique qui consiste à colorer les chromosomes puis à prendre un photo lorsqu'ils sont étalés (en vue polaire en métaphase de mitose, la cellule étant éclatée) pour les dénombrer est appelée technique de caryotypage. On dit que l'on réalise un caryotype. (image ci-dessous)La coloration la plus ancienne pour les chromosomes , réalisée depuis les années 1970-1972, est celle qui permet de mettre en évidence des bandes (méthode du banding en anglais).


Des bandes claires (non colorées) alternent avec des bandes sombres (colorées). On obtient jusqu'à 800 bandes pour l'ensemble du caryotype haploïde (n chromosomes).


Toutes ces colorations n'ont aucune explication satisfaisante: leur origine est UN MYSTÈRE... en absence de traitement, la coloration est pratiquement uniforme, mais étant donné que les traitements sont très variés, on ne connaît aucune cause commune certaine. La coloration est reproductible et peut permettre de repérer des translocations (déplacement de fragments d'un chromosome à un autre). Elle est très homogène au sein d'une espèce : il y a peu de variations individuelles.


caryotype (faible nombre de bandes) classé d'un homme avec ses 23 paires de chromosomes

(http://www.ac-reims.fr/ datice/svt/d ocsacad/ caryotype/caryo2/ caryonormal.htm)


22 paires d'autosomes (chromosomes qui ont deux paires ayant LES MÊMES BANDES):

A (paires 1, 2 et 3), chaque chromosome pouvant être reconnu par les bandes colorées
B (paires 4 et 5), les chromosomes étant impossibles à distinguer par la seule méthode des bandes
C (paires 6 à 12), le 9 peut porter une constriction secondaire; l'X peut se confondre avec certains chromosomes de ce groupe (dans la méthode des bandes)
D (paires 13, 14 et 15), ne peuvent être identifiés que par autoradiographie ou par FISH
E (paires 16, 17 et 18), sont tous les trois identifiables par les bandes
F (paires 19 et 20), impossibles à distinguer par les seules bandes
G (paires 21 et 22), identifiables par les bandes, l'Y pouvant se confondre avec un chromosome du groupe G

1 paire de gonosomes (paire 23): ou chromosomes sexuels ; ils ont les mêmes bandes chez la femme (XX) mais ni la même taille ni les mêmes bandes chez l'homme (XY)


2.3.2 - La mitose comporte 4 phases basées sur l'aspect et les mouvements des chromosomes



Les 4 phases de la mitose correspondent aux différents états des chromosomes, à leur condensation, leur répartition dans la cellule, et à leurs mouvements. Ces phases se succèdent de façon CONTINUE et il est bien difficile de délimiter chacune précisément.


prophase : apparition des chromosomes (doubles, à 2 chromatides identiques) par condensation de la chromatine, disparition de l'enveloppe nucléaire (non visible au MO) qui se désagrège par fragmentation des citernes du réticulum qui la constituent. Formation du fuseau de division (occupant le centre de la cellule) constitué de microtubules (dits "fusoriaux) synthétisés à partir du centre organisateur à chaque pôle de la cellule (qui contient deux centrioles - dédoublés juste avant la mitose - sauf chez les plantes, mais aussi certains autres organismes, notamment unicellulaires).

métaphase : disposition des chromosomes dans un tore (anneau creux) situé sur le pourtour du fuseau de division et dans le plan équatorial ; on parle de migration des chromosomes, car ils sont TIRÉS et POUSSÉS par les microtubules kinétochoriens qui, en croissant à partir des pôles, viennent se fixer aux kinétochores; le plan équatorial décrit de façon précise l'orientation des deux cellules filles (il est matérialisé par un anneau ou un disque de filaments d'actine -formant la plaque équatoriale-, voir plus bas); si la cellule est étirée, ce plan peut diviser la cellule longitudinalement ou transversalement ce qui donnera une division en épaisseur ou en longueur, déterminante pour la croissance des cellules végétales à paroi par exemple.

anaphase : séparation (ou clivage) des deux chromatides de chaque chromosome et migration de chaque chromosome fils (ou chromatide sœur) vers chaque pôle de la cellule.Chaque chromosome fils est TIRÉ par ses microtubules kinétochoriens qui glissent le long des microtubules du fuseau de division;

télophase : regroupement des chromosomes fils, puis disparition des chromosomes (par décondensation de la chromatine), du fuseau de division, et reformation de l'enveloppe nucléaire (non visible au MO).

La division des cellules eucaryotes est très variable, même si la division présentée ici est assez caractéristique. Des variantes (notamment la division d'une cellule de plante à paroi) et surtout quelques contextes dans lesquels ont lieu les divisions sont présentés dans une partie complémentaire.


La division d'une cellule animale (phase M du cycle cellulaire) comprenant typiquement : la mitose (division nucléaire) et la cytodiérèse ou cytokinèse (division cytoplasmique).
Quelques étapes de la division cellulaire d'une cellule "animale" mettant en évidence le rôle des microtubules et de l'anneau contractile de filaments d'actine intervenant dans la cytodiérèse. Comme organites, seuls les chromosomes sont représentés.
Division cellulaire d'une cellule de type animal (tous les organites, excepté le noyau - et les chromosomes lorsque le noyau disparaît, ont été volontairement omis)



En prophase les chromosomes apparaissent par condensation de la chromatine. Les centrioles se dupliquent et migrent aux deux pôles de la cellule. Les microtubules astériens donnent la forme à la cellule et les microtubules fusoriaux apparaissent et commencent à former le fuseau. L'enveloppe nucléaire se fragmente. Dans ce schéma les chrosomomes sont bien condensés (on a représenté 2n=4) et sont doubles car ils comprennent deux chromatides identiques. C'est une prophase dès que la chromatine se condense et tant que les chromosomes de se déplacent pas.




La métaphase débute lorsque les chromosomes (doubles) commencent à se déplacer. Plus exactement ils sont tirés et poussés par les microtubules kinétochoriens (accrochés aux kinétochores) qui glissent le long des microtubules fusoriaux. Les chromosomes se placent ainsi dans un tore (anneau creux) bien visible sur une vue polaire (en bas). La cytodiérèse n'est pas encore commencée malgré un allongement de la cellule grâce aux microtubules astériens qui croissent.



L'anaphase débute très précisément à la séparation des chromatides de chaque chromosome (on parle de clivage des chromosomes doubles). Les chromosomes-fils "migrent" aux pôles : en fait ils sont tirés et poussés par les microtubules kinétochoriens qui glissent toujours le long des microtubules fusoriaux. La cytodiérèse commence grâce à la contraction de l'anneau d'actine présent dans le plan équatorial de la cellule.




On parle de télophase lorsque les chromosomes fils se regroupent aux deux pôles. La fin de la télophase est marquée par la disparition des chromosomes. Ici la télophase n'est pas encore terminée puisque les chromosomes ne sont pas décondensés. L'enveloppe nucléaire se reforme. La cytodiérèse n'est pas encore terminée : les deux cellules filles sont encore réunies. La cytodièrèse peut intervenir lorsque les noyaux des cellules filles sont déjà en interphase.



Les phénomènes présentés concernent toujours des divisions normales mais on connaît depuis que l'on a observé des divisions in vivo des anomalies dans la séparation ou dans la répartition des chromatides à l'anaphase, dans la formation des asters (unique non dupliqué ou au contraire au nombre de 3...)...
Chez de nombreux Protistes (unicellulaires) notamment, il existe aussi des mitoses atypiques sans fuseau de division, sans disparition de l'enveloppe nucléaire...

On ne cesse d'améliorer les techniques de visualisation des cellules en mitose. Un article en libre accès (mais en anglais) d'Inoué et Oldenbourg, 1998 montre quelques avancées en lumière polarisée : une microscopie optique couplée à l'analyse d'image en temps réel à l'aide de ce qu'on appelle un Pol-scope.


La séquence vidéo finale montre une division de cellule épithéliale pulmonaire enregistrée chez un triton (Taricha granulosa) par R. Oldenbourg, PT Tran, et E.D. Saumon avec le Pol-Scope. Chaque image est générée par un ordinateur de traitement d'image à partir de quatre images vidéo prises en succession rapide à des réglages différents de deux condensateurs à cristaux liquides pilotés électroniquement. (Microtubule Dynamics in Mitotic Spindle Displayed by Polarized Light Microscopy, Shinya Inoué and Rudolf Oldenbourg, Mol. Biol. Cell July 1, 1998 vol. 9 no. 7 1603-1607)


Ce n'est qu'en 2011qu'une équipe américaine (Magidson et col.) a pu suivre le déplacement des chromosomes pendant toute la durée d'une mitose - voir références dans l'article Science in School n°25).


origine image


« ... nos résultats prouvent l'instabilité des interactions latérales entre les kinétochores et microtubules lors des débuts de la prométaphase. Ces interactions transitoires entraînent la disposition des chromosomes dans un cercle équatorial sur le pourtour du fuseau. Un modèle informatique a montré que cette répartition toroïdale [selon un tore] des chromosomes expose les kinétochores à une forte densité de microtubules ce qui facilite la formation ultérieure des liaisons amphiteliques [chaque chromatide de chaque chromosome est liée à des microtubules d'un seul pôle]. Ainsi, la formation du fuseau nécessite une étape préalable mal connue de prépositionnement du chromosome qui favorise la formation des liaisons amphiteliques.»


Quelques vues d'artiste assez fidèles aux modèles moléculaires actuels sur WEHI.TV en anglais

La partie 2 du film présente le kinétochore et les molécules qui lui sont associées et qui migrent le long des microtubules kinétochoriens
.

PAGE AVEC VERSIONS FRANÇAISES des vidéos

(accès direct à la vidéo en français)


À voir sur Youtube

Prépositionnement des chromosomes sur un tore.
Les kinétochores sont en vert et les fibres fusoriales (mirotubules) en rouge). Cette vidéo a été tournée lors de méioses dans un ovaire.



Pour la méiose c'est au sein du laboratoire de Jan Ellenberg (EMBL) que Tomoya (Tomo) Kitajima avait suivi en premier les 10 heures de la double division sexuelle.
Un article de vulgarisation très accessible reprenant ces résultats a été publié dans Science in School n°25 (
anglais; traduction provisoire).


- l'ovocyte est une cellule gigantesque et ce fût une prouesse technologique que d'arriver à y trouver et à y suivre les chromosomes lors de la méiose;
- les microtubules qui croissent à partir des centrosomes, mais de façon relativement désordonnée vont se fixer aux kinétochores en "pêchant" de façon plus ou moins efficace les chromosomes (avec un système d'essai-erreur - 90% d'erreur au premier coup - 3 essais en moyenne par chromosome) ;
les erreurs seraient moindres pour la mitose ;
- les microtubules poussent aussi les chromosomes pour les placer correctement sur un anneau au niveau du plan équatorial.




Remarque :
même du point de vue du noyau, la représentation de la vie des cellules sous forme de cycle masque les changements de destinées de certaines cellules. Il serait préférable de parler de toile ou d'arbre des filiations cellulaires.


Aucune voie n'est complètement fermée tant que la cellule est vivante. Il n'en reste pas moins que certaines voies sont nettement plus empruntées que d'autres. Dans la phase de développement embryonnaire la plupart des cellules nouvellement formées se divisent à nouveau, même si parfois la division est inégale dans le sens où seule l'une des deux cellules filles garde son pouvoir mitogène, l'autre se différenciant (on parle de division formative par opposition à une division proliférative, où les deux cellules filles gardent leur pouvoir mitogène). Les divisions chez un organisme adulte sont nettement plus localisées (c'est le renouvellement cellulaire) et souvent dédiées à des cellules spécialisées (ou cellules souches) qui présentent la plupart du temps des divisions formatives. En bleu, les quantités d'ADN par cellule (2q étant la quantité unité dans une cellule diploïde) et nombre de chromosomes (2n étant le nombre de chromosomes dans une cellule diploïde); la phase S (synthèse) du cycle cellulaire est la phase de réplication ou duplication de l'ADN. La lettre G fait référence au mot anglais "gap" désignant un fossé ou état stable de la cellule (d'après la source citée, fig 1, p 498). Au cours du cycle cellulaire, on différencie l'interphase (qui comprend les phases G1, S et G2) et la phase de division cellulaire (M, qui comprend deux phénomènes plus ou moins imbriqués: la mitose, ou division nucléaire, et la cytodiérèse, ou division cytoplasmique) qui correspond habituellement à moins de 10% de la durée du cycle cellulaire.



Pour un organisme pluricellulaire le lignage de chaque cellule de l'individu adulte a pu être reconstitué notamment chez le vers Nématode Cœnorhabditis elegans qui présente entre une dizaine et une vingtaine d'étapes de divisions successives pour un total de 959 cellules somatiques (voir par exemple fig 14.15, p 510 et s. dans Biologie du développement, Gilbert, 1996, De Boeck Université - ce résultat spectaculaire a été rendu possible par le petit nombre de cellules de cet animal, mais surtout par la transparence de sa cuticule et par la disposition spatiale des territoires cytoplasmiques du zygote qui semble fixe....!); on notera qu'au cours du développement NORMAL de C. elegans 131 cellules subissent une mort naturelle ou apoptose (voir page sur le développement pour une explication de cette notion).




* De protéines motrices semblent pouvoir se déplacer le long des microtubules en transportant de grosses molécules, des particules protéiques ou des organites.
* Les cils et flagelles sont des composés complexes de microtubules associés à des protéiques particulières.
* Le début de la division cellulaire peut se repérer dans sa phase la plus précoce par le changement d'organisation du réseau des filaments d'actine du cytosquelette, ce qui se fait en fin de phase G2 pour la cellule des plantes, avant que les chromosomes se condensent et marquent le début de la prophase.

3 - Des divisions eucaryotes multiples pour quoi faire ? (complément)






Cette partie est passée du programme de seconde au programme de 1èreS avec des... allégements. Il est clair que le programme présente le phénomène sous un angle extrêmement réducteur : le patrimoine génétique. Selon le programme le rôle d'une division est de transmettre un patrimoine. Ce n'est pas admissible. Il fait aussi l'impasse sur la profonde différence entre les procaryotes et les eucaryotes... on ne s'étonnera plus que les élèves parlent de mitose bactérienne. Ce qui compte c'est l'ADN... quel mensonge !

Un deuxième problème plus subtil est l'utilisation un peu désuète des mots "reproduction conforme". La conformité fait référence à la correspondance avec un modèle ("copie conforme"). Ce qualificatif est donc inapproprié pour désigner deux cellules, non pas conformes à un modèle mais bien héritées d'une cellule mère qui se divise après avoir grandi et les divisions sont bien souvent inégales. L'idée de copie ne peut s'appliquer qu'à la duplication de molécules (comme l'ADN). On pourrait élargir la notion en revenant à l'étymologie : con (cum : avec), forme; la conformité désignant ainsi la TRANSMISSION DE LA FORME lors de la division. Cette voie philosophique me plaît bien davantage. Dans ce cas la conformité serait la transmission des caractéristiques de l'espèce, le volet chromosomique n'en étant qu'un des aspects.

Cette partie tente de compenser les manques criants du programme d'une part, en précisant quelques phénomènes cytologiques montrant que la division cellulaire est un phénomène global qui touche toute la cellule et ses organites, et, d'autre part, en replaçant la division cellulaire dans le développement de l'organisme.




3.1 - Les étapes des premières divisions de développement d'un zygote d'Oursin


Oursin méditerranéen


Sur une page du laboratoire de la station de Villefranche sur mer, un film (http://biodev.obs-vlfr.fr/ recherche/ lepage/ images/Film%20oursin%20pwp1.mpg) sur le développement de l'oursin méditerranéen Paracentrotus lividus qui vaut largement les films scolaires commerciaux (dommage que l'on ait pas le timing avec le temps séparant les prises de vues; on peut se référer au site de bmedia: http://www.snv.jussieu.fr/ bmedia/ oursinMDC/index.html et particulièrement à la chronologie : http://www.snv.jussieu.fr/ bmedia/ oursinMDC/timingdev.html ).


Première mitose chez l'Ousin (image externe), MET recolorée ??

Un site "officiel" pour les enseignants : http://www.snv.jussieu.fr/ bmedia/sommaires/dvpt.htm

 

Film : pour diverses images et films (en anglais) sur les étapes de la fécondation et du développement : http://worms.zoology.wisc.edu/ dd2/echino/cleavage/ mitosis/mitosis.html chez l'oursin Lytechinus variegatus :
Film flash (
http://www.cellimagelibrary.org/ images/11943)


http://www.bio.unc.edu/faculty/salmon/lab/mafia/img18.gif


Ces vues au microscope à contraste de phase sont particulièrement intéressantes: on peut noter
Si on fait commencer la division à t0=2s, on a 24 images pour 5s de film et environ 1h de développement (si les images sont prises à intervalles RÉGULIERS cela fait 2,5 minutes par image).
Ne connaissant pas la durée de la division pour cet espèce d'oursin, on peut quand même considérer que la division dure environ 1h (elle est finie de 1h30 à 2h après la fécondation à 18°C chez Paracentrotus lividus).

  • images 1 à 6 (15 min): individualisation des chromosomes qui apparaissent comme 2 masses sombres (ce sont les phases de prophase-métaphase de la mitose , terme qui désigne les phénomènes nucléaires).
  • images 6 à 9 (8 min): séparation des masses chromosomiques grâce à l'apparition et à l'allongement soudain d'un fuseau de division qui sépare chaque masse sombre en deux (anaphase de la mitose) ET début de la cytodiérèse : séparation du cytoplasme en deux boules par étranglement perpendiculaire à l'allongement du fuseau de division;
  • images 9 à 12 (8 min) : fin de la cytodiérèse; les deux cellules filles ont une forme ovoïde et se touchent par leur plus petit rayon;
  • images 12 à 24 (35 min): RÉACCOLEMENT des deux cellules qui forment une HALTÈRE, ce qui n'est plus la forme de départ qui était une BOULE.

Observez les deux premières divisions de l'oursin Paracentrotus lividus en microscopie optique; il faut extraire les 9 premières secondes du film http://biodev.obs-vlfr.fr/ recherche/ lepage /images/Film%20oursin %20pwp1.mpg

Divisions égales et synchrones chez Asterina gibbosa (étoile de mer); le film en totalité vaut le coup d'œil :http://www.cerimes.fr/ le-catalogue/ asterina-gibbosa-loeuf-la-larve -et-la-metamorphose-dune- etoile-de-mer.html


La première division est identique à celle observée dans le film précédant : le plan du film contient bien l'axe de séparation des deux cellules filles (ou le fuseau de division). L'orientation est environ 15-20°N-105-110°S.
Le film commence lorsque les deux masses de microtubules sont déjà bien formées, puis on observe la formation du fuseau de division puis la cytodiérèse. Les chromosomes ne sont pas visibles. On obtient deux cellules ovoïdes qui se RÉACCOLENT légèrement (pendant cette phase il est probable que la deuxième division est déjà amorcée). Puis il manque quelques photos (le film "saute").


Si la seconde cytodiérèse semble intervenir rapidement, c'est probablement qu'il manque des images... L'orientation du fuseau de division est plongeante obliquement en arrière du plan du film et l'on ne voit pas les phénomènes fusoriaux. Le deuxième fuseau est donc bien perpendiculaire au premier.
Chaque cellule fille donne naissance à deux BOULES et l'on se trouve en présence de 4 cellules en BOULES, (placées dans le plan de division contenant le fuseau de la seconde division).

Le réaccolement intervient ensuite pendant que se prépare une troisième phase de divisions.



Des images sont aussi très parlantes sur le site BIOCLIP, notamment celles de Manuel THERY qui a travaillé sur la physique de la division en orientant celle-ci au moyen d'adhésifs géométriques (chercher Manuel Thery pour voir les vidéos et choisir Randomly oriented cell division).




Mais les divisions suivantes montrent que la multiplication cellulaire est un phénomène complexe qui ne se résume pas à des divisions binaires égales car les divisions ne sont pas indépendantes et la construction de l'embryon est bien plus qu'une somme d'événements tous semblables.

Je recommande un n° spécial de The International Journal of Developmental Biology, Vol 50, Nos 2/3, 2006 a pour titre Morphodynamics.
Les articles
(en anglais) sont tous disponibles gratuitement en téléchargement: http://www.ijdb.ehu.es/ web/contents.php? vol=50 &issue=2-3
Les travaux de René Thom sont cités dans plusieurs publications.

Pour ce qui est de la nature de la matrice de la cellule (cytomatrix en anglais) je recommande un ancien article de K.R. Porter (1984) dont la traduction est disponible ici. ; The Cytomatrix: A Short History of his Study, K.R. Porter, 1984, The Journal of the Cell Biology, vol 99, n°1



Si l'on observe les divisions suivantes, plusieurs phénomènes peuvent être notés:
- il n'y a PLUS de SYNCHRONISATION.
- certaines divisions sont INÉGALES .
- l'embryon TOURNE plus ou moins dans sa membrane protectrice, ce qui peut être interprété comme l'effet de tensions mécaniques
- les fuseaux de deux divisions successives ne sont plus du tout perpendiculaires mais peuvent être plus ou moins parallèles (ce qui amène une croissance de cellules en ligne); c'est ainsi que l'on voit se construire très nettement une couche externe d'assez grandes cellules délimitant une cavité interne (le blastocœle): cette étape est nommée blastulation: l'embryon formé est une blastula.

Les divisions successives ne sont donc pas indépendantes, leurs axes sont orientés et elles sont synchronisées ou non, et peuvent être inégales.


On est donc loin du modèle d'une cellule (boule) qui donne deux cellules identiques (boules). Les divisions embryonnaires marquent au contraire une construction ordonnée: celle de l'embryon.
Ce sont les phénomènes mécaniques qui semblent ici les plus intéressants à étudier. Les physiciens se sont lancés, notamment en Russie (on peut citer un nom: Lev Beloussov) , dans la modélisation de ces contraintes lors de la construction embryonnaire (alors que les américains et les européens s'orientaient davantage vers une étude moléculaire et chimique des phénomènes).

Sur Youtube on peut trouver les films scolaires: commentaire en anglais: http://www.youtube.com/ watch?v=czaO1wYLSDo

 

Salmon Lab, UNiversity of Carolina, movies


Les films pris au microscope à contraste interférentiel, ont laissé désormais la place aux films présentant un marquage immunologique par plusieurs substances fluorescentes de couleurs différentes qui permettent in suivi IN VIVO des protéines comme la tubuline (en VERT le plus souvent), composant des microtubules, de l'actine (en ROUGE le plus souvent), composant de certains filaments fins de la cellule, ou encore des histones (en BLEU le plus souvent), composant de la chromatine. Cette vision est cependant plus chimique que structurale et il faut se garder d'abandonner les anciennes méthodes. Les nouvelles méthodes doivent compléter les anciennes.




image (externe m/s) dans une page Dans ce noyau en début de prophase les microtubules sont en gris, les centriosles en jaune, le Gologi en rouge et l'enveloppe nucléaire en cours de fragmentation en vert.

voir ancien cours de 1ère S



3.2 - Les étapes de la division cellulaire de croissance d'une cellule de racine de Plante


Coupe d'une pointe racinaire d'ail (coloration de Feulgen)- Image externe

La croissance d'un tissu végétal est réalisée par un accroissement cellulaire (souvent un allongement mais pas toujours; ce qui permet une grande diversité des types de tissus) suivi de la formation d'une cloison (paroi) entre les deux nouvelles cellules. Les phénomènes nucléaires sont ceux d'une mitose avec des caractéristiques particulières, notamment l'absence de centrioles aux deux extrémités du fuseau de division.


Plus la cellule est jeune moins la paroi est épaisse. Lorsque la cellule se différencie se déposent des couches successives de cellulose (glucide complexe formant déja la paroi primaire souple et perméable) qui forment la paroi secondaire. Cette dernière peut s'imprégner de susbtances comme la lignine (polyphénol) qui la rendent rigide et moins perméable.


La grande différence du développement chez les plantes par rapport à celui des animaux réside dans l'absence de déplacement des cellules des plantes qui sont réunies par une paroi sécrétée en permanence et dont la composition change au cours de la vie de la cellule (phénomène qui accompagne la différenciation). La croissance se fait donc dans une direction privilégiée (élongation); l'accroissement en épaisseur des organes étant un phénomène qui intervient dans une phase qui fait suite à la croissance en longueur.


 

Division cellulaire d'une cellule de plante (phase M comprenant la mitose et la cytodiérèse).

La fin de l'interphase précédant cette division et le début de l'interphase qui la suit, ont été représentées.
Deux étapes (fin d'interphase (G2) et début de phase M (anaphase de mitose)) ont été détaillées car la complexité est plus grande que pour une cellule animale.

On retiendra le rôle essentiel des microtubules et des filaments d'actine dans les mouvements déterminant le plan de division, la mitose et la cytodiérèse.

Il semblerait cependant que dans le cas de la cellule d'une plante la formation de la plaque cellulaire soit au moins tout aussi importante que la bande préprophasique pour la détermination du plan équatorial de division.




Conclusion


On ne peut pas terminer un chapitre sur la division cellulaire sans parler du mécanisme inverse: la fusion cellulaire. Deux cellules peuvent fusionner en mettant en commun leur cytoplasme et parfois leur matériel génétique.
On sait pratiquer des fusions in vitro notamment avec la technique des hybridomes qui consiste à faire fusionner une cellule cancéreuse avec une cellule immunitaire de type lymphocyte B. les clones ainsi obtenus peuvent produire de façon dirigée de grandes quantités d'anticorps.

Lorsque l'on expose un phénomène biologique on a toujours tendance à simplifier afin d'en montrer l'universalité. La diversité est alors présentée dans un second temps. Pour la division cellulaire l'unité est mathématique (une séparation : du continu au discontinu, voir page de biologie théorique; c'est d'ailleurs pour moi une voie de recherche des plus prometteuses) mais la diversité prime PARTOUT. Une unité biochimique est tentée avec la molécule d'ADN mais ses limites sont trop grandes. et je regrette fort que le programme bride ainsi l'esprit des élèves.

Procaryotes

unité
diversité

une cellule mère se divise et donne naissance à deux cellules filles

La cellule procaryote se divise, se transforme en spore ou meurt. La division des Procaryotes est une division binaire ou division par scissiparité. La boucle d'ADN se duplique en deux boucles qui se sépareraient par allongement de la cellule du fait que chaque boucle (l'ancienne et la nouvelle) serait accrochées à la membrane en un point différent. Les ribosomes et autres éléments cytoplasmiques seraient plus ou moins également répartis dans les cellules filles.

Protistes

La cellule eucaryote présente des périodes de division courtes (environ 1h) et des périodes de repos, plus longues. La division cellulaire comprend deux étapes qui se chevauchent plus ou moins : la division nucléaire ou mitose et la division cytoplasmique ou cytodiérèse.

Les modalités sont extrêmement variées: on parle de mitose atypique pour désigner les divisions nucléaires originales (certaines cellules séparent leur chromosomes en étirant l'enveloppe nucléaire, qui reste intacte, les centromères étant accrochées à sa membrane interne; des fuseaux de microtubules traversent souvent le noyau sans que l'enveloppe nucléaire ne se désagrège; chez les levures et les Diatomées, l'enveloppe nucléaire reste aussi intacte, le fuseau de division se forme à l'intérieur du noyau qui s'allonge et les chromosomes sont tirés par un seul microtubule kinétochorien...).

Mycètes

Lors de la mitose, l'enveloppe nucléaire se désagrège et un fuseau mitotique se forme; les chromosomes sont tirés par les microtubules kinétochoriens. Le centre organisateur des microtubules n'est bien individualisé (sous forme d'un centrosome contenant deux centrioles) que chez les animaux.

Animaux

Végétaux

matériel génétique nucléaire

- dupliqué avant la division (sauf exception)
- réparti équitablement dans les deux cellules filles (sauf exception)

matériel génétique mitochondrial ou chloroplastique

transmis avec l'organite qui habituellement se dupliquent et se répartissent de façon à peu près égale entre les deux cellules filles

cytoplasme et organites cytoplasmique

le cytoplasme, avec ses organites et après duplication d'un bon nombre de ceux-ci, est réparti de façon équitable entre les deux cellules filles

origine de la cellule mère

une cellule mère peut être une jeune cellule en fin de division (par exemple lors de la multiplication cellulaire du développement embryonnaire ou une cellule bactérienne...) mais la cellule mère peut aussi est une cellule quiescente qui est stimulée brusquement u encore une cellule différenciée qui peut se diviser en se dédifférenciant ou non.

devenir des cellules filles

Certaines cellules filles meurent, d'autres se divisent presque à la suite, d'autres enfin entrent en quiescence...