« Combien de temps les différentes étapes du cycle cellulaire prennent-elles?

Combien de temps les différentes étapes du cycle cellulaire prennent-elles ?

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La réplication est l’une des caractéristiques distinctives de la matière vivante. L’ensemble des processus connus sous le nom de cycle cellulaire qui sont entrepris lorsqu’une cellule devient deux a été un thème de recherche dominant à l’ère moléculaire avec des applications qui s’étendent de loin, y compris à l’étude de maladies telles que le cancer qui est parfois caractérisé comme une maladie du cycle cellulaire qui a mal tourné. Les cycles cellulaires sont intéressants à la fois pour la manière dont ils sont similaires d’un type de cellule à l’autre et pour la manière dont ils sont différents. Pour mettre le sujet en relief, nous considérons les cycles cellulaires dans une variété d’organismes différents, y compris un procaryote modèle, pour les cellules de mammifères en culture tissulaire et pendant le développement embryonnaire chez la mouche des fruits. Plus précisément, nous demandons quelles sont les étapes individuelles qui sont entreprises pour qu’une cellule se divise en deux et combien de temps ces étapes prennent-elles?

Figure 1: Le cycle cellulaire de 150 minutes de Caulobacter est montré, mettant en évidence certains des événements morphologiques et métaboliques clés qui se produisent pendant la division cellulaire. La phase M n’est pas indiquée car chez Caulobacter, il n’y a pas de véritable appareil mitotique qui s’assemble comme chez les eucaryotes. Une grande partie de la ségrégation chromosomique chez le Caulobacter (et d’autres bactéries) se produit en même temps que la réplication de l’ADN. Les dernières étapes de la ségrégation des chromosomes et surtout de la décaténation des deux chromosomes circulaires se produisent pendant la phase G2. (Adapté de M. T. Laub et al., Science 290:2144, 2000.)

Le cycle cellulaire procaryote le mieux caractérisé est sans doute celui de l’organisme modèle Caulobacter crescentus. L’une des caractéristiques attrayantes de cette bactérie est qu’elle possède une division cellulaire asymétrique qui permet aux chercheurs de lier l’une des deux descentes à une lame de couverture de microscope tandis que l’autre fille s’éloigne, ce qui permet une étude plus approfondie sans obstructions. Cela a donné lieu à des représentations soigneuses du cycle cellulaire de ≈150 minutes (BNID 104921) comme le montre la figure 1. Les principales composantes du cycle cellulaire sont G1 (première phase de croissance, ≈30 min, BNID 104922), où au moins une quantité minimale d’augmentation de la taille des cellules doit avoir lieu, la phase S (Synthèse, ≈80 min, BNID 104923) où l’ADN est répliqué et G2 (deuxième phase de croissance, ≈25 min, BNID 104924) où la ségrégation chromosomique se déroule conduisant à la division cellulaire (phase finale d’une durée ≈15 min). Caulobacter crescentus fournit un exemple intéressant de la façon dont certains organismes sont promus au statut d' »organisme modèle’ parce qu’ils ont une caractéristique particulière qui les rend particulièrement opportuns pour la question d’intérêt. Dans ce cas, la progression du cycle cellulaire va de pair avec le processus de différenciation donnant des étapes identifiables facilement visualisées, ce qui les rend préférables aux biologistes du cycle cellulaire plutôt qu’à la bactérie modèle E. coli.

Le comportement des cellules de mammifères en culture tissulaire a servi de base à une grande partie de ce que nous savons sur le cycle cellulaire chez les eucaryotes supérieurs. Le cycle cellulaire eucaryote peut être largement séparé en deux étapes, l’interphase, la partie du cycle cellulaire où les matériaux de la cellule sont dupliqués et la mitose, l’ensemble des processus physiques qui assistent à la ségrégation chromosomique et à la division cellulaire ultérieure. Les taux de processus dans le cycle cellulaire, sont principalement construits à partir de nombreux événements moléculaires tels que la polymérisation de l’ADN et des filaments cytosquelettiques dont nous avons déjà examiné les taux. Pour le temps de cycle cellulaire caractéristique de 20 heures dans une cellule HeLa, près de la moitié est consacrée à G1 (BNID 108483) et près d’une autre moitié est la phase S (BNID 108485) alors que G2 et M sont beaucoup plus rapides à environ 2-3 heures et 1 heure, respectivement (BNID 109225, 109226). L’étape de durée la plus variable est G1. Dans des conditions de croissance moins favorables, lorsque la durée du cycle cellulaire augmente, c’est le stade qui est le plus affecté, probablement en raison du temps qu’il faut pour atteindre un certain point de contrôle de la taille réglementaire. Bien que différents types de preuves indiquent l’existence d’un tel point de contrôle, il est actuellement très mal compris. Historiquement, les étapes du cycle cellulaire ont généralement été déduites à l’aide de cellules fixes, mais récemment, des biocapteurs génétiquement codés qui changent de localisation à différents stades du cycle cellulaire ont permis d’obtenir des informations temporelles sur la progression et l’arrêt du cycle cellulaire.

Figure 2: Temps de cycle cellulaire pour différents types de cellules. Chaque diagramme circulaire montre la fraction du cycle cellulaire consacrée à chacune des étapes primaires du cycle cellulaire. L’aire de chaque graphique est proportionnelle à la durée globale du cycle cellulaire. Les durées du cycle cellulaire reflètent des temps de doublement minimes dans des conditions idéales. (Adapté de ”Le Cycle cellulaire – Principes de contrôle » de David Morgan.)

Comment la durée du cycle cellulaire se compare-t-elle au temps nécessaire à une cellule pour synthétiser son nouveau génome ? Un découplage entre la longueur du génome et le temps de doublement existe chez les eucaryotes en raison de l’utilisation de plusieurs sites de début de réplication de l’ADN. Pour les cellules de mammifères, il a été observé que pour de nombreux tissus avec des temps de cycle cellulaire globaux très variables, la durée de la phase S où se produit la réplication de l’ADN est remarquablement constante. Pour les tissus de souris tels que ceux trouvés dans le côlon ou la langue, la phase S a varié dans une petite plage de 6,9 à 7,5 heures (BNID 111491). Même en comparant plusieurs tissus épithéliaux chez l’homme, le rat, la souris et le hamster, la phase S était comprise entre 6 et 8 heures (BNID 107375). Ces mesures ont été effectuées dans les années 1960 en effectuant une sorte d’expérience de poursuite par impulsions avec le nucléotide radioactif thymidine. Pendant l’impulsion courte, le composé radioactif n’a été incorporé que dans le génome des cellules en phase S. En mesurant la durée d’apparition puis de disparition des cellules marquées en phase M, on peut déduire combien de temps a duré la phase S Le fait que la durée de la phase S soit relativement constante dans de telles cellules est utilisé à ce jour pour estimer la durée du cycle cellulaire à partir d’une connaissance de la seule fraction de cellules à un instant donné qui sont en phase S. Par example, si un tiers des cellules sont vues en phase S qui dure environ 7 heures, le temps de cycle cellulaire est déduit d’environ 7 heures / (1/3) ≈20 heures. Aujourd’hui, ces types de mesures sont principalement effectués en utilisant BrdU comme marqueur de la phase S. Nous ne connaissons pas d’explication satisfaisante pour l’origine de ce temps de réplication relativement constant et comment il est lié au taux d’ADN polymérase et à la densité des sites d’initiation de réplication le long du génome.

La diversité des cycles cellulaires est illustrée à la figure 2 et représente plusieurs organismes modèles ainsi que les durées et le positionnement des différentes étapes de leurs cycles cellulaires. Un exemple extrême se produit dans le processus hypnotisant de développement embryonnaire de la mouche des fruits Drosophila melanogaster. Dans ce cas, la situation est différente des divisions cellulaires classiques car plutôt que de synthétiser de nouveaux matériaux cytoplasmiques, la masse est essentiellement conservée à l’exception de la réplication du matériel génétique. Cela se produit de manière très synchrone pendant environ 10 générations et un cycle de réplication des milliers de cellules de l’embryon, par exemple entre les cycles 10 et 11, se produit en environ 8 minutes comme le montre la figure 2 (BNID 103004, 103005, 110370). C’est plus rapide que les temps de réplication pour toutes les bactéries, même si le génome mesure ≈120 millions de pb (BNID 100199). Un exemple frappant de la capacité des cellules à adapter leur dynamique temporelle.