Cycle cellulaire - Définition, phases, régulation et points de contrôle (2023)

Cycle cellulaireDéfinition

Le cycle cellulaire est la séquence d'événements se produisant de manière ordonnée qui se traduit par la croissance et la division cellulaires.

• Le cycle commence à la fin de chaque division nucléaire et se termine au début de la suivante.
• Un cycle cellulaire agit comme une unité de temps biologique qui définit l'histoire de la vie de la cellule.
• Le cycle cellulaire est un processus continu qui comprend tous les événements significatifs de la cellule, allant de la duplication de l'ADN et des organites cellulaires à la partition ultérieure du cytoplasme.
• De plus, le processus de croissance cellulaire où la cellule absorbe les nutriments et se prépare à sa division cellulaire fait également partie du cycle cellulaire.
• Le processus du cycle cellulaire se déroule en différentes phases, toutes spécialisées pour un stade particulier de la cellule.
• Le processus global et les étapes du cycle cellulaire peuvent différer chez les organismes eucaryotes et procaryotes en raison des différences de complexité cellulaire.
• Trois cycles principaux sont impliqués dans le cycle cellulaire; cycle chromosomique, cycle cytoplasmique et cycle centrosome.
  • Le cycle chromosomique implique la synthèse d'ADN qui alterne avec la mitose. Au cours de ce cycle, l'ADN en double hélice de la cellule se réplique pour former deux molécules d'ADN filles identiques. Ceci est suivi d'une mitose pour séparer la cellule en deux cellules filles.
  • Le cycle cytoplasmique implique une croissance cellulaire qui alterne avec la cytokinèse. Au cours de la croissance, la cellule accumule des nutriments et des facteurs de croissance et double le contenu du cytoplasme. Finalement, le cytoplasme se divise par cytokinèse pour diviser également le contenu cytoplasmique en deux cellules.
  • Le cycle final est le cycle du centrosome où le centrosome est divisé afin qu'il puisse être hérité de manière fiable et dupliqué en conséquence pour former deux pôles des fibres du fuseau mitotique.
• Le cycle cellulaire est régulé par divers facteurs stimulants et inhibiteurs qui décident si la cellule doit se diviser ou se développer.
• Le cycle cellulaire est divisé en différentes phases (selon Howard et Pelc), dont chacune est définie par divers processus.

Phases du cycle cellulaire

1. Ecart 0 Phase (G0)

• La phase Gap 0 ou phase G0 du cycle cellulaire est une période de temps où la cellule est présente dans une phase de repos ou de repos, car elle ne se divise ni ne se développe.
• La phase G0 peut être considérée soit comme une phase G1 prolongée, soit comme une élimination séparée du cycle cellulaire.
• Habituellement, les cellules entrent dans la phase G0 lorsqu'elles atteignent leur maturité comme dans le cas des cellules musculaires et des cellules nerveuses, mais les cellules continuent à remplir leur fonction tout au long de leur vie.
• Dans certains cas, cependant, les cellules peuvent entrer dans la phase G0 à partir du point de contrôle de la phase G1 en raison du manque de facteurs de croissance ou de nutriments.
• Dans la phase G0, la machinerie du cycle cellulaire de la cellule est démantelée et la cellule continue de rester dans la phase G0 jusqu'à ce qu'il y ait une raison pour que la cellule se divise.
• Certaines cellules comme les cellules parenchymateuses du foie et des reins entrent dans la phase G0 de manière semi-permanente et peuvent être amenées à se diviser.
• Même si la phase G0 est souvent associée à la sénescence, la phase G0 est une étape réversible où une cellule peut entrer à nouveau dans le cycle cellulaire pour se diviser.
• Les cellules en phase G0 disposent de différents régulateurs qui assurent le bon fonctionnement de la cellule.

2. Écart 1 phase (G1)

• La phase G1 du cycle cellulaire fait partie de l'interphase où la cellule commence à se préparer à la division cellulaire.
• Une cellule entre dans la phase G1 après la phase M du cycle précédent et est donc qualifiée de première phase d'écart de la première phase de croissance.
• Dans cette phase, aucune synthèse d'ADN n'a lieu, mais la synthèse d'ARN se produit afin de produire les protéines nécessaires à la croissance cellulaire appropriée.
• La phase G1 est considérée comme un temps de reprise où la cellule reprend enfin le métabolisme cellulaire normal qui avait ralenti pendant la phase M du cycle précédent.
• Le processus et les étapes de la phase G1 sont très variables, même au sein des cellules d'une même espèce.
• L'événement le plus important de la phase G1, cependant, est la transcription des trois types d'ARN qui subissent ensuite une traduction pour former des protéines et des enzymes nécessaires à d'autres événements du cycle cellulaire.
• La durée de la phase G1 est également très variable d'une cellule à l'autre. Dans certaines cellules, elle occupe environ 50 % de la durée totale du cycle cellulaire, alors que, dans les cellules à division rapide, la phase est entièrement omise.
• Un point important dans la phase G1 est le point de contrôle G1/S qui détermine si la cellule est suffisamment prête pour passer à la phase de division.
• À ce stade, des événements tels que la détection des dommages à l'ADN et de la concentration en nutriments sont effectués pour s'assurer que la cellule dispose de suffisamment de machinerie pour subir la division cellulaire.

3. Phase de synthèse (S)

• La phase S ou phase de synthèse du cycle cellulaire fait partie de l'interphase où se produisent des événements importants tels que la réplication de l'ADN et la formation de protéines histones.
• Les processus de la phase S sont étroitement régulés car la synthèse des protéines et la réplication de l'ADN nécessitent une précision extrême.
• La production de protéines histones et d'autres protéines est cruciale dans cette phase car les molécules d'ADN nouvellement répliquées nécessitent des protéines histones pour former des nucléosomes.
• L'entrée dans la phase S est régulée par le point de contrôle G1/S qui permet uniquement aux cellules avec suffisamment de nutriments et d'ADN sain d'entrer dans la phase suivante.
• La phase est modérément longue, occupant environ 30% de la durée totale du cycle cellulaire.
• Au cours de cette phase, le contenu de l'ADN double dans la cellule, mais le nombre de chromosomes reste le même car la division du chromosome n'a pas encore lieu.
• Le mécanisme de régulation de la phase S garantit également que le processus de synthèse de l'ADN se déroule avant la phase M et avec précision.
• Afin de préserver l'information épigénétique, différentes régions de l'ADN sont répliquées à différents moments.
• De même, les gènes exprimés activement ont tendance à se répliquer au cours de la première moitié de la phase S, tandis que les gènes inactifs et l'ADN structurel ont tendance à se répliquer au cours de la seconde moitié.
• Par conséquent, à la fin de la phase S, chaque chromosome de la cellule possède le double de la quantité d'ADN avec un double ensemble de gènes.

4. Écart 2 Phase (G2)

• La phase G2 ou Gap Phase 2 ou Growth Phase 2 est une phase du cycle cellulaire où la cellule collecte des nutriments et libère des protéines afin de préparer la cellule pour la phase M.
• La phase G2 fait également partie de l'interphase lorsque la cellule est encore en phase de repos tout en se préparant à la division cellulaire.
• La phase G2 est également importante car elle vérifie les dommages à l'ADN (pendant la réplication) pour s'assurer que la cellule est en bon état pour subir une division.
• La phase peut être sautée dans certaines cellules à division rapide qui entrent directement dans la phase mitotique après la réplication de l'ADN.
• C'est cependant une phase essentielle qui vérifie les mutations et les dommages à l'ADN pour empêcher une prolifération cellulaire excessive.
• Bien que des informations sur la régulation et le fonctionnement de la phase G2 aient été étudiées, son rôle dans l'initiation et le développement du cancer reste à déterminer.
• La réparation de l'ADN est une étape cruciale de la phase G2 car elle répare les cassures qui pourraient être présentes dans le brin d'ADN après la réplication.
• L'entrée de la cellule de la phase G2 à la phase M est régulée par le point de contrôle G2, où différentes protéines et complexes sont impliqués.
• En cas de dommages à l'ADN ou de nutriments insuffisants, la cellule reste dans la phase G2 et ne passe pas pour la division cellulaire.

5. Phase de mitose (M)

• La phase M ou phase mitotique du cycle cellulaire est la phase la plus cruciale et la plus dramatique de tout le cycle où la cellule se divise pour former des cellules filles identiques.
• L'événement le plus important de cette phase est la caryocinèse (division nucléaire) où les chromosomes se séparent pour former deux cellules distinctes.
• Le processus de la mitose peut différer d'un organisme à l'autre et même d'une cellule à l'autre.
• La mitose commence par la condensation des chromosomes qui se séparent ensuite et se déplacent vers les pôles opposés.
• Une cellule entrant dans la phase M a une concentration de 4N de matériel génétique et se termine par deux cellules, chacune contenant une concentration de 2N d'ADN.
• La division cellulaire mitotique se produit en quatre étapes distinctes;prophase,métaphase,anaphase, ettélophase.
• La prophase est la première étape de la mitose où le chromosome de la cellule se divise en deux chromatides maintenues ensemble par une région d'ADN unique appelée centromère. Au fur et à mesure que la prophase progresse, les chromatides deviennent plus courtes et plus épaisses. La prophase comprend également la division du centriole qui se déplace vers les deux extrémités opposées de la cellule.
• La métaphase est la deuxième et la plus longue étape de la division cellulaire où les chromatides sont alignées sur la plaque de métaphase. Les chromatides sont plus courtes et plus épaisses et sont toujours maintenues ensemble par un centromère.
• L'anaphase est la prochaine étape de la mitose impliquant la division de chaque chromosome en chromatides sœurs pour former des chromosomes filles. Après séparation, les chromatides sont déplacées vers le pôle en raison du raccourcissement des microtubules.
• La télophase est la dernière étape de la mitose qui implique la réorganisation de deux noyaux et l'entrée de la cellule dans la phase suivante. Au cours de cette phase, une enveloppe nucléaire se forme autour des chromosomes pour former deux noyaux filles distincts.
• La télophase indique la fin de la phase M, qui initie la division des organites cellulaires et la séparation du cytoplasme en deux cellules (cytokinèse).

En savoir plus:Mitose - définition, objectif, étapes, applications avec diagramme

6. Cytocinèse

• La cytokinèse est la division du cytoplasme en deux moitiés, indiquant la fin de la division cellulaire.
• La cytokinèse se produit immédiatement après la phase M pour séparer le noyau, la membrane cellulaire et le reste du cytoplasme en deux moitiés pour former deux cellules distinctes et complètes.
• La phase commence par la constriction de la membrane cellulaire, qui conduit finalement au clivage et à la division.
• La constriction est d'abord observée pendant l'anaphase, qui continue de s'approfondir pour finalement provoquer un clivage.
• Le processus et le mécanisme de la cytokinèse peuvent être différents dans différentes cellules.
• Dans certains cas, la cytokinèse est souvent considérée comme faisant partie de la phase M, mais dans le cas des cellules animales, la cytokinèse et la mitose peuvent se produire indépendamment.
• La contraction de la membrane cellulaire au cours de la cytokinèse est provoquée par la contraction des fibres d'actine qui forment un faisceau, appelé anneau contractile.
• Dans le cas d'une cellule végétale, cependant, une plaque cellulaire distincte se forme au milieu de la cellule en division qui sépare le cytoplasme et les organites cellulaires en moitiés égales.
• La cytokinèse, comme le reste du cycle cellulaire, est également régulée par plusieurs facteurs qui sont responsables de l'initiation de la division ainsi que de la terminaison.

En savoir plus:Cytokinèse - Définition et processus (dans les cellules animales et végétales)

Régulation du cycle cellulaire

1. Cyclines

• Les cyclines sont un groupe de protéines qui agissent ensemble pour réguler différentes phases du cycle cellulaire en tant que régulateurs de base.
• Ces protéines régulent les différentes phases du cycle cellulaire soit en activant les kinases cycline-dépendantes, soit en activant certaines autres enzymes ou complexes.
• Les cyclines sont spécifiques à différentes phases car elles agissent pour réguler différentes phases du cycle.
• Chez l'homme, quatre cyclines différentes sont connues, les cyclines G1, les cyclines G1/S, les cyclines S et les cyclines M. Ces cyclines, comme leur nom l'indique, régulent différentes phases.
• Le terme « cycline » a été donné à cette classe de protéines en raison de la concentration variable de ces protéines dans la cellule au cours du cycle cellulaire.

Mécanisme

• La concentration de ces cyclines reste généralement faible pour la plupart, mais culmine considérablement si elles sont nécessaires au cours du cycle.
• L'activation des protéines cyclines est stimulée par la liaison des facteurs de croissance aux récepteurs de la cellule, qui activent la transcription des gènes cyclines.
• La plupart des protéines cyclines agissent en se liant aux kinases dépendantes des cyclines, qui forment un complexe. Le complexe est alors responsable de la régulation du cycle cellulaire.
• Certaines protéines cyclines comme la cycline D de la phase G1 (ou cycline G1) agissent comme des protéines limitantes pour la progression du cycle cellulaire. Les cyclines G1 accélèrent la transition G1 par la surexpression des gènes de cycline.
• Même si les cyclines n'ont pas d'activité enzymatique par elles-mêmes, elles induisent différents processus dans le cycle cellulaire en fournissant des sites de liaison pour d'autres enzymes.

2. Kinases dépendantes des cyclines (CDK)

• Les kinases cycline-dépendantes (CDK) sont un groupe d'enzymes qui agissent pour réguler différents processus du cycle cellulaire après activation par la liaison d'une molécule de cycline.
• Les CDK font partie du groupe d'enzymes CMGC constitué d'unités sérine ou thréonine qui se caractérisent par leur dépendance vis-à-vis des sous-unités protéiques.
• L'activité de ces enzymes n'est observée qu'après la liaison d'une molécule de cycline suivie de la phosphorylation de l'unité thréonine.

Mécanisme

• Les molécules de cycline qui se lient à ces kinases fournissent des séquences supplémentaires aux enzymes nécessaires à leur activité enzymatique.
• Les CDK ont généralement une spécificité vis-à-vis de différentes molécules de cycline, et la liaison de la cycline à la molécule CDK détermine la spécificité de l'enzyme vis-à-vis de son substrat.
• Le mécanisme d'action de ces enzymes peut différer entre les différentes kinases régulant les différentes phases du cycle cellulaire.
• Les CDK activées dans l'interphase subissent une phosphorylation et provoquent l'inactivation de la protéine du rétinoblastome (Rb).
• L'inactivation de Rb provoque la dépression de plusieurs gènes codant pour des protéines nécessaires à la synthèse de l'ADN.
• La régulation du cycle cellulaire est également apportée par l'inhibition des CDK auquel cas, des inhibiteurs de CDK sont impliqués.
• La CDK régulant le cycle cellulaire est régulée négativement par la liaison d'autres protéines plus petites des familles d'inhibiteurs Cip/Kip.
• Ceux-ci sont également spécifiques des enzymes et agissent en déformant l'interface cycline et la poche de liaison à l'ATP de l'enzyme.
• Ceux-ci empêchent l'activation des CDK, ce qui provoque une régulation négative du cycle cellulaire.

3. Facteur favorisant la maturation (MPF)

• Le facteur favorisant la maturation ou facteur favorisant la phase M (MPF) est une protéine diffusible de grande taille qui régule la phase M d'un cycle cellulaire.
• La protéine se compose de deux sous-unités; une sous-unité inerte et une sous-unité kinase. La sous-unité kinase est capable d'activer la sous-unité inerte ainsi que d'autres molécules.
• Le MPF est le régulateur de la transition G2/M où il active des activités telles que la dégradation de l'enveloppe nucléaire et la condensation des chromosomes.

Mécanisme

• Pendant l'interphase, la sous-unité inerte du MPF est inactive en raison de la présence d'une enzyme, Wee1.
• L'activation de l'unité MPF est provoquée par CDC25, ce qui entraîne la liaison de la molécule de cycline à la sous-unité kinase.
• Après la liaison de la cycline à la kinase dépendante de la cycline et l'activation de CDK, la transition vers la phase M commence.
• Les molécules de MPF agissent alors en ajoutant des molécules de phosphate à l'enveloppe nucléaire, ce qui provoque la rupture de la membrane.
• En outre, il déclenche également la formation de fibres fusiformes en raison de l'instabilité des microtubules.
• La kinase MPF phosphorylase également plusieurs substances comme l'histone H1, qui favorise alors la condensation des chromosomes.
• L'activité du MPF est en outre régulée par d'autres composants comme p34. La phosphorylation de p34 régule l'activité du MPF.

4. Complexe/cyclosome promoteur d'anaphase (APC/C)

• Le complexe promoteur d'anaphase (APC) est une protéine qui régule la phase M du cycle cellulaire en inhibant l'action du MPF et provoque la destruction des molécules de cycline.
• Cette molécule est importante lors de la transition d'une cellule de la métaphase à l'anaphase de la phase M.
• L'APC est une enzyme qui fonctionne dans le cycle cellulaire par un mécanisme différent de celui des CDK.

Mécanisme

• Au lieu d'une activation par phosphorylation et d'un ajout de groupe phosphate aux cibles, l'APC ajoute de l'ubiquitine sur les molécules cibles. Les molécules cibles sont soit les cyclines S et M, soit la sécurisation.
• Dans le cas des cyclines, la liaison de l'ubiquitine à la surface provoque le déplacement de la cellule vers le protéasome. Dans le protéasome, les cyclines sont dégradées, ce qui permet à la cellule fille nouvellement formée d'entrer dans la phase G1.
• En outre, il déclenche également la séparation des chromatides sœurs lors de la métaphase. Il lie l'étiquette ubiquitine à une protéine, appelée sécurisation.
• La liaison de l'étiquette provoque la destruction de la sécurine, qui libère alors l'enzyme séparase.
• L'enzyme séparase agit sur la protéine de cohésion présente au site de connexion entre deux chromatides soeurs. La séparation des chromatides sœurs indique une anaphase.

5.p53

• p53, également appelé TP53 ou protéine tumorale, est un gène qui code pour la protéine qui régule la prolifération cellulaire et agit également comme un suppresseur de tumeur.
• Le gène p53 est souvent appelé le «gardien du génome» car il aide à conserver la stabilité du génome en empêchant la mutation du génome.
• Dans les organismes eucaryotes, il est important car il supprime le cancer.
• Il stimule également l'apoptose si des dommages irréparables à l'ADN sont détectés.

Mécanisme

• La présence de p53 assure un cycle cellulaire correct car elle empêche la division des cellules avec de l'ADN endommagé.
• La concentration de p53 dans une cellule normale est assez faible ; cependant, il augmente en raison de dommages à l'ADN ou de signaux de stress.
• Le gène p53 peut remplir l'une des trois fonctions suivantes : arrêt du cycle cellulaire, réparation de l'ADN etapoptose.
• L'arrêt du cycle cellulaire par p53 est médié par l'activation de p21/WAF1. La p21 se lie à la cycline G1 qui arrête la cellule en phase G1 car la cycline ne peut plus se lier à sa CDK.
• Le p21 interagit également avec l'antigène nucléaire cellulaire proliférant qui inhibe la réplication de l'ADN, provoquant l'arrêt du cycle cellulaire.
• En outre, il régule également la transition G2/M car p21 inhibe la cycline B, qui est responsable de l'activation de CDK au point de contrôle G2/M.
• En cas de dommages à l'ADN, l'arrêt du cycle cellulaire par p53 active la transcription des protéines impliquées dans la réparation de l'ADN.

6. Protéine de rétinoblastome (Rb)

• La protéine de rétinoblastome est une phosphoprotéine nucléaire qui aide à la régulation du cycle cellulaire tout en agissant également comme une protéine de suppression des tumeurs.
• La fonction principale de Rb est d'empêcher une croissance cellulaire excessive au cours de la progression du cycle cellulaire.
• Il agit comme un régulateur négatif du cycle cellulaire en inhibant le processus.
• La protéine est exprimée à la fois dans les cellules en cycle et au repos qui fonctionnent en inhibant une variété de protéines nucléaires impliquées dans le cycle cellulaire.
• Il régule la transition d'une cellule de la phase G1 à la phase S en inhibant la réplication de l'ADN.

Mécanisme

• La famille des facteurs de transcription, E2F est la cible principale de Rb. Ces facteurs régulent le moment et les niveaux d'expression de différents gènes impliqués dans le processus du cycle cellulaire.
• Les facteurs E2F ciblent les protéines impliquées dans la réplication comme l'ADN polymérase et la thymidine kinase.
• Dans la phase G0/G1, Rb hypophosphorylé se lie à E2F qui inactive et empêche la progression du cycle cellulaire,
• De même, dans la phase S, l'activation chronique de Rb conduit à une régulation négative des facteurs de réplication de l'ADN nécessaires.

Points de contrôle du cycle cellulaire

1. Point de contrôle G1

• Le point de contrôle G1 est le premier point de contrôle dans le cycle cellulaire d'une cellule de mammifère et le point de départ dans la cellule de levure qui détermine si la cellule entre ou non dans le cycle cellulaire.
• Le point de contrôle est présent entre la phase G1 et la phase S et est responsable de l'entrée de la cellule dans la phase de division.
• En fonction des facteurs et des stimuli externes et internes, la décision de savoir si la cellule entre dans le cycle cellulaire ou subit la phase G0 est déterminée.
• Les points de contrôle sont essentiels dans le cycle cellulaire car ils limitent les risques d'instabilité génomique résultant de dommages à l'ADN au cours du cycle.
• Le point de contrôle G1 est régulé par p53 qui aide à la régulation négative des tumeurs et des lignées cellulaires.
• Afin de provoquer l'arrêt du point de contrôle G1, le p53 régule la transcription de l'inhibiteur de CDK p21.
• L'arrêt est stimulé par des facteurs comme une rupture du double brin d'ADN, qui empêche la prolifération de cellules irrémédiablement endommagées.
• L'arrêt du point de contrôle G1 est un mécanisme de rétroaction positive où la présence de cassures dans le brin d'ADN améliore l'expression du gène p53.
• En raison des protéines impliquées dans le point de contrôle, le point de contrôle G1 est un point de contrôle important lors de la suppression tumorale et de la prévention de la prolifération cellulaire excessive.
• Les cellules présentant des dommages à l'ADN réparables sont conservées au point de contrôle pour laisser le temps de se réparer tandis que d'autres sont soit signalées pour l'apoptose, soit déplacées vers la phase G0.

2. Point de contrôle G2

• Le point de contrôle G2 est le deuxième point de contrôle du cycle cellulaire où est présent à la transition entre les phases G2 et S.
• Le point de contrôle empêche l'entrée des cellules dans la phase S du cycle en empêchant l'activation de régulateurs tels que les cyclines et les CDK.
• Ce point de contrôle, comme le point de contrôle G1, recherche les dommages et les ruptures de l'ADN pour empêcher la prolifération de cellules mutées ou endommagées.
• Comme le point de contrôle aide à maintenir la stabilité génomique, les études sur le point de contrôle aident à comprendre le mécanisme moléculaire du cancer.
• La cible de l'arrestation au point de contrôle G2 est le CDK2 qui pilote généralement la transition de G2 à la phase S.
• Au point de contrôle, les dommages à l'ADN déclenchent l'activation de la voie ATM, ce qui provoque la phosphorylation de l'ATM et l'inactivation des kinases du point de contrôle.
• Le point de contrôle implique également les gènes p53 qui inactivent les enzymes par l'expression des protéines p21.
• Des voies supplémentaires dans le point de contrôle G2 assurent la stabilité de l'arrêt par l'expression de protéines comme Rb et la régulation négative de plusieurs gènes qui codent pour les protéines nécessaires à la phase S.

3. Point de contrôle de la métaphase (point de contrôle de la broche)

• Le point de contrôle de la métaphase ou le point de contrôle de la phase M ou le point de contrôle du fuseau est le point de contrôle pendant la mitose qui vérifie si toutes les chromatides sœurs sont correctement attachées aux fibres du fuseau.
• Le point de contrôle garantit que tous les chromosomes des cellules entrant dans l'anaphase sont fermement attachés à au moins deux fibres du fuseau des pôles opposés de la cellule.
• La séparation des chromosomes en anaphase est un processus irréversible, c'est pourquoi ce point de contrôle est crucial dans la mitose.
• Les protéines du point de contrôle recherchent des chromosomes retardataires qui peuvent être détectés dans le cytoplasme.
• Le point de contrôle agit par régulation négative de CDC20 qui empêche l'activation de l'étiquette ubiquitine par le complexe promoteur de l'anaphase.
• Il existe différents mécanismes pour désactiver le point de contrôle une fois que tous les chromosomes sont correctement attachés.
• L'un des mécanismes importants consiste à transporter les protéines du complexe moteur loin des kinétochores. Les protéines sont ensuite redistribuées aux pôles du fuseau.

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