Phases du Cycle cellulaire

Un cycle cellulaire eucaryote typique est illustré par des cellules humaines en culture, qui se divisent environ toutes les 24 heures. Vu au microscope, le cycle cellulaire est divisé en deux parties de base: la mitose et l’interphase. La mitose (division nucléaire) est l’étape la plus dramatique du cycle cellulaire, correspondant à la séparation des chromosomes filles et se terminant généralement par une division cellulaire (cytokinèse). Cependant, la mitose et la cytokinèse ne durent qu’environ une heure, de sorte qu’environ 95% du cycle cellulaire est passé en interphase — la période entre les mitoses. Au cours de l’interphase, les chromosomes sont décondensés et répartis dans tout le noyau, de sorte que le noyau apparaît morphologiquement uniforme. Au niveau moléculaire, cependant, l’interphase est le temps pendant lequel la croissance cellulaire et la réplication de l’ADN se produisent de manière ordonnée en préparation de la division cellulaire.

La cellule croît à un rythme régulier tout au long de l’interphase, la plupart des cellules en division doublant de taille entre une mitose et la suivante. En revanche, l’ADN n’est synthétisé que pendant une partie de l’interphase. Le moment de la synthèse de l’ADN divise ainsi le cycle des cellules eucaryotes en quatre phases discrètes (Figure 14.1). La phase M du cycle correspond à la mitose, qui est généralement suivie d’une cytokinèse. Cette phase est suivie de la phase G1 (gap 1), qui correspond à l’intervalle (gap) entre la mitose et l’initiation de la réplication de l’ADN. Pendant G1, la cellule est métaboliquement active et se développe continuellement mais ne reproduit pas son ADN. G1 est suivie de la phase S (synthèse), au cours de laquelle la réplication de l’ADN a lieu. L’achèvement de la synthèse de l’ADN est suivi de la phase G2 (gap 2), au cours de laquelle la croissance cellulaire se poursuit et les protéines sont synthétisées en préparation de la mitose.

Figure 14.1

Phases du cycle cellulaire. Le cycle de division de la plupart des cellules eucaryotes est divisé en quatre phases discrètes: M, G1, S et G2. La phase M (mitose) est généralement suivie d’une cytokinèse. La phase S est la période pendant laquelle la réplication de l’ADN se produit. La cellule se développe (plus…)

La durée de ces phases du cycle cellulaire varie considérablement selon les types de cellules. Pour une cellule humaine typique à prolifération rapide avec un temps de cycle total de 24 heures, la phase G1 peut durer environ 11 heures, la phase S environ 8 heures, G2 environ 4 heures et M environ 1 heure. D’autres types de cellules, cependant, peuvent se diviser beaucoup plus rapidement. Les levures en herbe, par exemple, peuvent progresser à travers les quatre étapes du cycle cellulaire en seulement environ 90 minutes. Des cycles cellulaires encore plus courts (30 minutes ou moins) se produisent dans les cellules embryonnaires précoces peu de temps après la fécondation de l’ovule (figure 14.2). Dans ce cas, cependant, la croissance cellulaire n’a pas lieu. Au lieu de cela, ces cycles cellulaires embryonnaires précoces divisent rapidement le cytoplasme de l’œuf en cellules plus petites. Il n’y a pas de phase G1 ou G2, et la réplication de l’ADN se produit très rapidement dans ces cycles cellulaires embryonnaires précoces, qui consistent donc en des phases S très courtes alternant avec des phases M.

Figure 14.2

Cycles cellulaires embryonnaires. Les cycles cellulaires embryonnaires précoces divisent rapidement le cytoplasme de l’œuf en cellules plus petites. Les cellules ne croissent pas pendant ces cycles, dépourvus de G1 et de G2 et constitués simplement de courtes phases S alternant avec des phases M.

Contrairement à la prolifération rapide des cellules embryonnaires, certaines cellules chez les animaux adultes cessent complètement de se diviser (par exemple, les cellules nerveuses) et de nombreuses autres cellules ne se divisent qu’occasionnellement, au besoin pour remplacer les cellules perdues à cause d’une blessure ou de la mort cellulaire. Les cellules de ce dernier type comprennent les fibroblastes cutanés, ainsi que les cellules de nombreux organes internes, tels que le foie, les reins et les poumons. Comme discuté plus loin dans la section suivante, ces cellules sortent de G1 pour entrer dans un stade de repos du cycle appelé G0, où elles restent métaboliquement actives mais ne prolifèrent plus à moins d’être appelées à le faire par des signaux extracellulaires appropriés.

L’analyse du cycle cellulaire nécessite l’identification des cellules aux différents stades évoqués ci-dessus. Bien que les cellules mitotiques puissent être distinguées au microscope, les cellules des autres phases du cycle (G1, S et G2) doivent être identifiées par des critères biochimiques. Les cellules en phase S peuvent être facilement identifiées car elles incorporent de la thymidine radioactive, qui est utilisée exclusivement pour la synthèse de l’ADN (Figure 14.3). Par exemple, si une population de cellules humaines à prolifération rapide en culture est exposée à la thymidine radioactive pendant une courte période (par exemple 15 minutes) puis analysée par autoradiographie, environ un tiers des cellules sera marqué radioactivement, ce qui correspond à la fraction de cellules en phase S.

Figure 14.3

Identification des cellules en phase S par incorporation de thymidine radioactive. Les cellules ont été exposées à la thymidine radioactive et analysées par autoradiographie. Les cellules marquées sont indiquées par des flèches. (D’après D. W. Stacey et coll., 1991. Mol. Biol cellulaire. 11: 4053.) (plus…)

Des variations de telles expériences de marquage cellulaire peuvent également être utilisées pour déterminer la longueur des différentes étapes du cycle cellulaire. Par exemple, considérons une expérience dans laquelle des cellules sont exposées à la thymidine radioactive pendant 15 minutes, après quoi la thymidine radioactive est éliminée et les cellules sont cultivées pendant des durées variables avant l’autoradiographie. Les cellules d’interphase marquées radioactivement qui étaient en phase S pendant la période d’exposition à la thymidine radioactive seront observées pendant plusieurs heures à mesure qu’elles progressent dans le reste de S et de G2. En revanche, les cellules mitotiques marquées radioactivement ne seront observées que 4 heures après le marquage. Ce temps de décalage de 4 heures correspond à la longueur de G2 — le temps minimum requis pour qu’une cellule incorporant de la thymidine radioactive à la fin de la phase S entre en mitose.

Les cellules à différents stades du cycle cellulaire peuvent également être distinguées par leur teneur en ADN (Figure 14.4). Par exemple, les cellules animales de G1 sont diploïdes (contenant deux copies de chaque chromosome), leur contenu en ADN est donc appelé 2n (n désigne la teneur en ADN haploïde du génome). Pendant la phase S, la réplication augmente la teneur en ADN de la cellule de 2n à 4n, de sorte que les cellules de S ont des teneurs en ADN allant de 2n à 4n. La teneur en ADN reste alors à 4n pour les cellules de G2 et M, diminuant à 2n après cytokinèse. Expérimentalement, la teneur en ADN cellulaire peut être déterminée par incubation de cellules avec un colorant fluorescent qui se lie à l’ADN, suivie d’une analyse de l’intensité de fluorescence de cellules individuelles dans un cytomètre en flux ou un trieur de cellules activé par fluorescence, distinguant ainsi les cellules dans les phases G1, S et G2 / M du cycle cellulaire.

Figure 14.4

Détermination de la teneur en ADN cellulaire. Une population de cellules est marquée avec un colorant fluorescent qui lie l’ADN. Les cellules sont ensuite passées à travers un cytomètre en flux, qui mesure l’intensité de fluorescence des cellules individuelles. Les données sont tracées sous forme de cellule (plus…)