Biologie cellulaire 07: Microtubules et Division cellulaire

Ce sont des notes de la conférence 7 du cours de biologie cellulaire de Harvard Extension.

La conférence 6 a introduit les microtubules, et cette conférence discutera de leur rôle dans la division cellulaire. Voici une vidéo d’introduction:

Aperçu du cycle cellulaire

Le cycle cellulaire – le processus de division et de réplication cellulaires – est régi par une série de commutateurs biochimiques appelés système de contrôle du cycle cellulaire.

Le cycle cellulaire est divisé en phases qui sont divisées en phases – les gens se référeront aux « 4 phases” mais il y en a en fait 5, et les gens utilisent également d’autres mots pour regrouper ces phases, et d’autres mots pour les subdiviser. J’ai fait de mon mieux pour résumer la relation entre ces termes dans le tableau suivant. (modifié / développé à partir de Wikipedia):

The le contenu de chaque phase est magnifiquement résumé dans cette image exceptionnelle de Wikimedia Commons par Kelvinsong:

Les cellules humaines qui se divisent le plus rapidement peuvent terminer un cycle cellulaire en environ 24 heures (G1:9h, S:10h, G2:4h, M:30 min). La levure peut terminer un cycle en 30 minutes, et les cellules de Drosophile qui se divisent le plus rapidement ne prennent que 8 minutes.

Les contrôleurs principaux de ce processus comprennent les cyclines, qui régulent la kinase dépendante de la cycline ou CDK. Rappelons que les kinases sont des protéines qui phosphorylent d’autres protéines. La phosphorylation de CDK de ses cibles permet à la mitose de se poursuivre. Pour être précis, le facteur favorisant la maturation ou MPF est un complexe hétérodimérique obligatoire composé de cycline B et de CDK, qui n’exerce son action phosphorylante que lorsque les deux protéines sont présentes.

Rôle des microtubules

Les microtubules sont critiques tout au long du cycle cellulaire – ils organisent les composants cellulaires et les divisent en deux. Voici une série de vidéos du cycle cellulaire qui mettent en évidence le rôle des microtubules:

Chez les animaux, les cellules quiescentes et même les cellules en interphase n’ont généralement qu’un seul MTOC, appelé centrosome, qui sert de hub central à tous les microtubules de la cellule. Un centrosome est composé de deux centrioles comme indiqué ci-dessous (merci encore à Kelvinsong) :

Les deux centrioles se désengagent l’une de l’autre et se répliquent pendant la phase S, puis se séparent pour former des « pôles » opposés de la cellule pendant la phase M, de sorte qu’il y a maintenant deux MTOC, dont chacun sera finalement le seul MTOC d’une nouvelle cellule (une autre image de Kelvinsong boss) :

Pendant la mitose, vous avez donc les deux « pôles » de la cellule, chacun avec des microtubules ancrés à l’extrémité (-) et leurs extrémités (+) se chevauchant, pointant vers le centre de la cellule, comme indiqué ici (image Wikimedia Commons par Lordjuppiter):

Tout cela s’appelle un appareil de broche, et la zone où les microtubules des deux MTOCs se chevauchent est appelée la « zone d’interdigitation ». Vous entendrez parfois chaque MTOC et son réseau de microtubules ressemblant à un oursin appelé aster mitotique.’

Les microtubules au cours de cette étape sont classés en trois catégories :

1. Les microtubules astraux pointent vers l’extérieur, vers le cortex cellulaire, afin d’ancrer l’ensemble de l’appareil fuseau le long de l’axe de division cellulaire.
2. Les microtubules kinétochores se fixent au kinétochore des chromatides.
3. Les microtubules polaires, orientés parallèlement les uns aux autres mais dans des directions opposées, sont cruciaux pour écarter l’appareil du fuseau pendant la mitose. (En fait, les microtubules polaires sont également présents plus tôt et aident à écarter les centrosomes pendant la prophase).

Si vous préférez les photos aux diagrammes, voici à quoi ressemble l’ensemble de l’appareil de broche, avec des chromatides en bleu, des microtubules en vert et les kinétochores en points rouges:

Les microtubules deviennent beaucoup plus dynamiques pendant la mitose: plus de gamma-tubuline favorise une nucléation plus facile, mais XMAP215, un stabilisateur des microtubules, est phosphorylé et donc inactivé pendant la mitose, laissant la kinésine-13 libre de catastrophiser les microtubules. Les fortunes se font et se perdent rapidement. La demi-vie d’un microtubule pendant la mitose est d’environ 15 minutes, contre 30 minutes pendant l’interphase. Les gens étudient la dynamique des microtubules à l’aide de FRAP: ajoutez un microtubule fluorescent, blanchissez-le et voyez à quelle vitesse le réassemblage se produit en fonction de la rapidité avec laquelle la fluorescence réapparaît. + Les embouts jouent également un rôle majeur dans l’aide et l’assemblage des microtubules.

La kinésine-5 a deux têtes polaires qui se lient à des microtubules opposés et essaient de marcher vers l’extrémité (+) de chacun. Cela écarte les deux microtubules et fournit la force motrice pour la séparation des MTOC.

L’ADN centromère a une faible entropie d’information et des histones spéciales qui diffèrent des autres chromatines. Les centromères sont une partie du génome que vous ne récupérez presque jamais dans le séquençage de nouvelle génération, même à très grande profondeur. En effet, les centromères ont un but différent de celui d’une grande partie du reste du génome: la séquence y est favorable à l’interaction avec les protéines centromères et l’attachement aux kinétochores. Les cohésines sont des protéines qui maintiennent les deux chromatides sœurs ensemble. Nous parlerons des protéines kinétochores comme ayant deux couches, le kinétochore interne et le kinétochore externe.

Pendant la prométaphase, les chromosomes se déplacent d’avant en arrière. Les kinésines ancrent les chromosomes aux microtubules kinétochores au-delà de la pointe où la kinésine-13 dépolymérise les microtubules, aidée par une pénurie de dimères de tubuline disponibles. Une combinaison de protéines motrices, de protéines interagissant avec les microtubules et de tapis roulant sert à déplacer les chromosomes. Pendant ce temps, les protéines motrices de la dynéine et de la dynactine qui se dirigent vers la fin (–) travaillent sur les microtubules astraux, tirant les MTOC vers la périphérie de la cellule. En métaphase, les chromatides viennent s’aligner le long de la « plaque de métaphase ».

Au cours de ce processus, l’enveloppe nucléaire se dissout et l’importation nucléaire devient donc sans importance. Ran-GEF localise près des chromosomes et génère des concentrations élevées de Ran-GTP qui fournit de l’énergie pour certains processus nécessaires (?).

Les cellules ont un mécanisme de détection de la tension dans les microtubules qui indique leurs chromatides d’attachement avant que la mitose ne puisse se poursuivre. S’assurer que chaque chromatide est correctement ancrée est crucial pour éviter l’aneuploïdie.

D’ailleurs, d’autres éléments cytosquelettiques en plus des microtubules jouent également un rôle clé dans le cycle cellulaire. Dans la cytokinèse, l’actine forme un anneau contractile et, à l’aide de protéines motrices de la myosine II, serre la cellule en deux.

Importance des organismes modèles

La découverte des processus de régulation du cycle cellulaire s’est largement appuyée sur certaines caractéristiques soignées des organismes modèles populaires.

Saccharomyces cerevisiae (levure en herbe) et Schizosaccharomyces pombe (levure de fission) peuvent exister sous forme d’haploïdes ou de diploïdes. C’est important parce que dans la phase haploïde, une mutation peut assommer un gène – vous n’avez pas besoin de frapper les deux allèles. Et chez la levure, de nombreuses mutations, en particulier dans les gènes Cdc__ (contrôle de la division cellulaire), dépendent de la température, où une protéine avec une mutation faux sens peut encore fonctionner correctement à des températures « permissives » mais perd sa fonction native à des températures « non permissives ». Cela permet d’étudier le phénotype knockout (à la température non permissive) tout en ayant la commodité de pouvoir facilement propager les organismes (à la température permissive). L’ensemble du génome de S. cerevisiae est disponible sous forme de banques de plasmides, ce qui permet de sélectionner le plasmide qui sauve le phénotype d’un mutant donné. C’est le nombre de gènes qui régulent le cycle cellulaire qui ont été découverts.

Dans S. cerivisiae, le bourgeonnement fait partie de la phase G1, et une fois que la cellule fille atteint une certaine taille, à un moment appelé « DÉBUT”, les deux s’engagent à entrer dans S et à terminer le cycle cellulaire. Les cellules de mammifères ont leur propre point d’engagement appelé point de restriction ou R, en G1, ce qui est analogue à START.

Les mutants Cdc28 sensibles à la température ne bourgeonnent pas à la température non permissive. Le gène Cdc28 code l’homologue de la levure de notre kinase dépendante de la cycline (CDK) qui, lorsqu’elle est complexée avec la cycline, peut phosphoryler d’autres protéines pour réguler leur participation aux phases du cycle cellulaire. Les mutants sensibles à la température à la température non permissive restent bloqués incapables de bourgeonner et entrent dans la phase S. Au lieu de cela, ils se comportent comme des cellules sauvages privées de nutriments: ils deviennent assez gros pour passer le DÉBUT mais ne continuent pas ensuite.

Le xénope (une sorte de grenouille) s’est avéré essentiel pour comprendre le cycle cellulaire, car sa reproduction implique un très grand nombre de cellules (i.e. assez de matière de départ pour les Western blots, etc.) qui sont parfaitement synchronisées (c’est-à-dire que toutes sont dans la même phase du cycle cellulaire au même moment. (Comparer à la levure, par exemple, où les cellules ne seront pas toutes à la même phase en même temps). De plus, l’œuf lui-même est grand et facile à travailler, et plusieurs cycles cellulaires suivent la fécondation. Chez les grenouilles, les œufs commencent la division méiotique, puis s’arrêtent à la phase G2 pendant 8 mois pendant qu’ils grandissent et stockent les éléments nécessaires à la croissance lors de la fécondation.

Filaments intermédiaires

En plus des microfilaments et des microtubules, les cellules eucaryotes possèdent également une foule d’ »autres » protéines cytosquelettiques appelées filaments intermédiaires (Fs). Bien que plus diversifiés que les microfilaments et les microtubules, lesFs ne sont pas seulement un terme fourre-tout pour « tout autre filament » – ils constituent plutôt un groupe de protéines apparentées. Ils s’étendent généralement à travers le cytoplasme et l’enveloppe nucléaire interne, sont apolaires et n’ont aucune protéine motrice qui leur est associée. Ils ont une grande résistance à la traction et sont très stables, avec un taux de change lent et peu de panne, bien que la phosphorylation puisse favoriser leur démontage. Voici quelques exemples populaires:

• Les kératines se trouvent dans les cellules épithéliales, les cellules du mésoderme et les neurones. Ils fournissent de la force et se présentent sous des formes acides et basiques. Chacun peut former son propre brin, mais la plupart desFs se composent de deux brins – un basique et un acide, en quelque sorte tordus l’un autour de l’autre. Les cheveux et les ongles sont faits de kératine « dure » riche en cystéine pour les liaisons disulfures qui fournissent l’immense force. Les permanentes et le lissage reposent sur la réduction des liaisons disulfures, le remodelage des cheveux, puis la reformation des liaisons disulfures. Vous avez également de la kératine « douce » dans votre peau.
• Desmines telles que la vimentine se trouvent dans les cellules mésenchymateuses (os, cartilage et graisse).
• Les neurofilaments sont dans les axones neuronaux et régulent leur diamètre, ce qui détermine à son tour la vitesse de propagation du potentiel d’action.
• Les lamines sont à la fois les plus répandues et sont considérées comme les plus similaires à l’ancêtre phylogénétique de tous les autresFs. Ils fournissent un support structurel à la membrane nucléaire. Ils pourraient aider à espacer les complexes de pores nucléaires et à organiser l’ADN.

Enfin, une vidéo de synthèse :