Biologie moléculaire de la cellule

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1 Biologie moléculaire de la cellule
Alberts • Johnson • Lewis • Morgan • Raff • Roberts • Walter Biologie moléculaire de la cellule Sixième Édition Chapitre 17 Le Cycle Cellulaire Copyright © Garland Science 2015

2 Le cycle cellulaire Vue d'ensemble du cycle cellulaire
Le système de contrôle du cycle cellulaire La phase S La mitose La cytocinèse Méiose Contrôle de la division et de la croissance cellulaire

3 Exigences de la duplication des chromosomes
Les chromosomes linéaires des cellules eucaryotes sont de vastes assemblages dynamiques d'ADN et de protéines Leur duplication est un processus complexe qui occupe une grande partie du cycle cellulaire Les longues molécules d'ADN de chaque chromosome doivent être recopiées avec exactitude L'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 chromosomes

4 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 cellule En premier, la réplication doit se faire avec une extrême exactitude pour minimiser les risques de mutation dans la génération cellulaire suivante En second, chaque nucléotide du génome doit être recopié une fois, et seulement une, pour éviter les effets délétères de l'amplification génique

5 Présentation du chapitre
Dans un autre chapitre (5), nous discutons de la machinerie protéique sophistiquée qui effectue la réplication de l'ADN avec une rapidité et une exactitude étonnante Dans 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 cycle

6 Phase S S-Cdk initie la réplication de l'ADN une fois par cycle
La duplication des chromosomes nécessite la duplication de la structure de la chromatine Les cohésines maintiennent ensemble les deux chromatides sœurs

7 Phase S S-Cdk initie la réplication de l'ADN une fois par cycle
La duplication des chromosomes nécessite la duplication de la structure de la chromatine Les cohésines maintiennent ensemble les deux chromatides sœurs

8 Réplication de l'ADN La réplication de l'ADN débute aux origines de réplication qui sont dispersées en de nombreux endroits de chaque chromosome Au 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 matrice Cela 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)

9 Les 2 étapes de la duplication du chromosome
Pour 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).

10 Contrôle de la duplication des chromosomes
La 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. Figure 17–17 Control of chromosome duplication. Preparations for DNA replication begin in late mitosis and G1, when the DNA helicases are loaded by multiple proteins at the replication origin, forming the prereplicative complex (preRC). S-Cdk activation leads to activation of the DNA helicases, which unwind the DNA at origins to initiate DNA replication. Two replication forks move out from each origin until the entire chromosome is duplicated. Duplicated chromosomes are then segregated in m phase. S-Cdk activation in S phase also prevents assembly of new preRCs at any origin until the following G1—thereby ensuring that each origin is activated only once in each cell cycle. Figure Contrôle de la duplication des chromosomes. La 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.

11 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-RC Cette 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-RC

12 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’ADN Une 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 mitose Il en résulte que les origines ne peuvent être activées qu’une seule fois par cycle cellulaire

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

14 Contrôle de l'initiation de la réplication de l'ADN
Les ORC restent associés à une origine de réplication pendant tout le cycle Pendant la phase G1 précoce, Cdc6 s'associe à ORC Le 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 mitose Figure 17–18 Control of the initiation of DNA replication. The replication origin is bound by the ORC throughout the cell cycle. In early G1, Cdc6 associates with the ORC, and these proteins bind the DNA helicase, which contains six closely related subunits called mcm proteins. The helicase also associates with a protein called Cdt1. Using energy provided by ATP hydrolysis, the ORC and Cdc6 proteins load two copies of the DNA helicase, in an inactive form, around the DNA next to the origin, thereby forming the prereplicative complex (preRC). At the onset of S phase, S-Cdk stimulates the assembly of several initiator proteins on each DNA helicase, while another protein kinase, DDK, phosphorylates subunits of the DNA helicase. As a result, the DNA helicases are activated and unwind the DNA. DNA polymerase and other replication proteins are recruited to the origin, and DNA replication begins. The ORC is displaced by the replication machinery and then rebinds. S-Cdk and other mechanisms also inactivate the preRC components ORC, Cdc6, and Cdt1, thereby preventing formation of new preRCs at the origins until the end of mitosis (see text). Figure Contrôle de l'initiation de la réplication de l'ADN. Les ORC restent associés à une origine de réplication pendant tout le cycle. Pendant la phase G1 précoce, Cdc6 s'associe à ORC. Le 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 mitose.

15 ORC, origin recognition complex
Un 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 cellulaire En 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’origine Le très gros complexe qui en résulte est le pré-RC, et l'origine de réplication a maintenant l'autorisation d'initier la réplication

16 Réplication Au 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’ADN Une 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 ADN

17 Contrôle de l'initiation de la réplication de l'ADN
En même temps que S-Cdk initie la réplication de l'ADN, plusieurs mécanismes empêchent l’assemblage de nouveaux pré-RC S-Cdk phosphorylent à la fois les ORC et Cdc6, ce qui provoque leur inhibition L’inactivation de l'APC/C en fin de phase G1 aide à arrêter l'assemblage du pré-RC En 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.

18 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 S

19 PHASE S S-Cdk initie la réplication de l'ADN une fois par cycle
La duplication des chromosomes nécessite la duplication de la structure de la chromatine Les cohésines maintiennent ensemble les deux chromatides sœurs

20 Rappel L'ADN des chromosomes est empaqueté par une grande variété de composantes protéiques, comprenant les histones et différentes protéines régulatrices, impliquées dans le contrôle de l’expression des gènes Ainsi 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.

21 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 synthétisées Plus 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 nucléosome Ces 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'ADN

22 Rappel L'empaquetage de la chromatine aide à contrôler l'expression des gènes Dans certaines parties du chromosome, la chromatine est très condensée et on l'appelle hétérochromatine alors 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 S

23 On ne comprend pas encore très bien, cependant, comment la structure de la chromatine est dupliquée
Au 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)

24 Figure 4-45

25 PHASE S S-Cdk initie la réplication de l'ADN une fois par cycle
La duplication des chromosomes nécessite la duplication de la structure de la chromatine Les cohésines maintiennent ensemble les deux chromatides sœurs

26 Nécessité de la cohésion des chromatides
À 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 longueur Cette 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 mitotique Imaginez 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 S Effectivement, 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 chromosomes

27 La cohésine Gros complexe protéique qui assure la cohésion des chromatides sœurs Est déposé à de nombreux endroits le long de chaque chromatide sœurs lors de la réplication de l'ADN pendant la phase S

28 Cohésine Deux 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).

29 La cohésine Figure 17–19 Cohesin. Cohesin is a protein complex with four subunits. (A) Two subunits, Smc1 and Smc3, are coiled-coil proteins with an ATPase domain at one end; (B) two additional subunits, Scc1 and Scc3, connect the ATPase head domains, forming a ring structure that may encircle the sister chromatids as shown in (C). The ATPase domains are required for cohesin loading on the DNA. Figure La cohésine. La 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. La 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.

30 La cohésine Figure 17–19 Cohesin.
Cohesin is a protein complex with four subunits. (A) Two subunits, Smc1 and Smc3, are coiled-coil proteins with an ATPase domain at one end; (B) two additional subunits, Scc1 and Scc3, connect the ATPase head domains, forming a ring structure that may encircle the sister chromatids as shown in (C). The ATPase domains are required for cohesin loading on the DNA. Figure La cohésine. La 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. La 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 extrémités

31 La cohésine Figure 17–19 Cohesin.
La 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 suivante Figure 17–19 Cohesin. Cohesin is a protein complex with four subunits. (A) Two subunits, Smc1 and Smc3, are coiled-coil proteins with an ATPase domain at one end; (B) two additional subunits, Scc1 and Scc3, connect the ATPase head domains, forming a ring structure that may encircle the sister chromatids as shown in (C). The ATPase domains are required for cohesin loading on the DNA. Figure La cohésine. La 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.

32 La cohésine Figure 17–19 Cohesin.
La 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 Les domaines de l'ATPase sont nécessaires au chargement de la cohésine sur l’ADN. Figure 17–19 Cohesin. Cohesin is a protein complex with four subunits. (A) Two subunits, Smc1 and Smc3, are coiled-coil proteins with an ATPase domain at one end; (B) two additional subunits, Scc1 and Scc3, connect the ATPase head domains, forming a ring structure that may encircle the sister chromatids as shown in (C). The ATPase domains are required for cohesin loading on the DNA. Figure La cohésine. La 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. l’ADN.

33 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'ADN C'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'ADN

34 (voir Figure 5-23)

35 Cohésion des chromatides sœurs
Une fois que les concaténères ont été séparés, la cohésion des chromatides sœurs dépend avant tout des complexes de cohésine La 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 loin

36 Résumé La 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 chromosomes La 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'ADN Ainsi, 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 cellulaire

37 Phase S Fin

38 Le cycle cellulaire Vue d'ensemble du cycle cellulaire
Le système de contrôle du cycle cellulaire La phase S La mitose La cytocinèse Méiose Contrôle de la division et de la croissance cellulaire