La mitose est le mécanisme de division des cellules somatiques (toutes les cellules du corps, à l'exception des cellules reproductrices). Elle transforme une cellule mère à 2n chromosomes en deux cellules filles, elles aussi à 2n chromosomes, strictement identiques entre elles et à la cellule mère sur le plan génétique. C'est pourquoi on qualifie la mitose de division conservative.
Le cycle cellulaire débute par une interphase, période de loin la plus longue, qui comprend trois sous-phases :
Prophase : la chromatine se condense peu à peu, les chromosomes deviennent individualisés et visibles, toujours formés de deux chromatides sœurs ; l'enveloppe du noyau disparaît progressivement tandis que le fuseau mitotique (réseau de microtubules) s'organise.
Métaphase : les chromosomes, condensés au maximum, se rangent sur le plan équatorial de la cellule (plaque métaphasique), leur centromère relié aux fibres du fuseau venues des deux pôles.
Anaphase : chaque centromère se clive, libérant les deux chromatides sœurs qui deviennent alors des chromosomes autonomes à une seule chromatide ; ceux-ci sont tractés vers les pôles opposés de la cellule par les fibres du fuseau.
Télophase : à chaque pôle, les chromosomes se décondensent en chromatine diffuse, une enveloppe nucléaire se reconstitue autour de chaque lot chromosomique, puis la cellule se scinde en deux par cytodiérèse (étranglement de la membrane chez l'animal, cloison cellulaire chez le végétal) : deux cellules filles sont ainsi produites.
En G1, un chromosome donné est simple, réduit à une seule chromatide. La réplication de la phase S le transforme en un chromosome dupliqué, à deux chromatides sœurs identiques ; cet état persiste en G2, en prophase et en métaphase. C'est seulement en anaphase que les deux chromatides se séparent au centromère et deviennent chacune un chromosome indépendant à une chromatide. À l'issue de la télophase, chaque cellule fille hérite donc d'un lot de chromosomes simples, identique en nombre et en nature au lot de la cellule mère de départ.
En notant q la quantité d'ADN d'une cellule en G1 (chromosomes à une chromatide), cette valeur reste stable pendant toute la phase G1. Pendant la phase S, elle s'élève progressivement de q à 2q, traduisant la réplication de l'ADN. La valeur 2q se maintient ensuite en G2, en prophase et en métaphase, car l'ADN dupliqué n'est pas encore réparti. Dès l'anaphase, au moment où les chromatides sœurs se séparent et gagnent chacune un pôle, la quantité d'ADN par pôle redescend à q. À la fin de la télophase, chacune des deux cellules filles présente de nouveau une quantité d'ADN égale à q, comme la cellule mère en G1.
L'entrée d'une cellule en division est étroitement surveillée par des signaux moléculaires. Des facteurs de croissance jouent un rôle d'indicateurs positifs : ils stimulent le passage de G1 vers la phase S et déclenchent la prolifération, par exemple lors de la cicatrisation. À l'opposé, des molécules inhibitrices bloquent le cycle à des points de contrôle précis lorsqu'une anomalie est détectée (ADN endommagé, réplication incomplète). Quand ce système de régulation est défaillant (suite à une mutation d'un gène régulateur), les cellules peuvent se diviser de manière anarchique et incontrôlée : c'est l'un des mécanismes à l'origine du développement des cancers.
À partir d'une cellule mère à 2n chromosomes, la mitose produit 2 cellules filles à 2n chromosomes, génétiquement identiques entre elles et à la cellule mère.
La méiose est le mode de division propre aux cellules germinales, à l'origine des gamètes. Elle fait passer une cellule mère à 2n chromosomes (deux lots de chromosomes homologues) à quatre cellules filles à n chromosomes (un seul lot), génétiquement différentes les unes des autres et de la cellule mère. On parle de division réductionnelle car elle divise par deux le nombre de chromosomes ; ce nombre 2n sera ensuite restauré lors de la fécondation.
Après une phase S préalable (réplication de l'ADN, chromosomes à deux chromatides), la prophase I se distingue par l'appariement, deux à deux, des chromosomes homologues (l'un d'origine paternelle, l'autre d'origine maternelle) formant des bivalents (tétrades). C'est à ce moment que surviennent les crossing-over : des échanges de segments de chromatides entre chromosomes homologues appariés.
En métaphase I, ces bivalents se positionnent sur la plaque équatoriale. En anaphase I, ce sont les chromosomes homologues entiers (chacun toujours à deux chromatides) qui se séparent et migrent vers les pôles opposés — contrairement à la mitose où seules les chromatides sœurs se séparent. Pour chaque paire, la répartition des chromosomes paternel et maternel entre les deux pôles s'effectue de façon aléatoire et indépendante.
La télophase I conduit à deux cellules à n chromosomes, chaque chromosome restant formé de deux chromatides.
Sans nouvelle réplication de l'ADN, la seconde division reproduit le déroulement d'une mitose ordinaire : prophase II, métaphase II, anaphase II (séparation des chromatides sœurs de chaque chromosome), télophase II. Elle est dite équationnelle car elle ne réduit pas davantage le nombre de chromosomes par rapport à la fin de la division I, mais sépare simplement les chromatides sœurs.
En G1, la cellule mère compte 2n chromosomes à une chromatide (quantité q). Après la phase S, elle possède 2n chromosomes à deux chromatides (quantité 2q). À la fin de la division I (réductionnelle), chaque cellule obtenue possède n chromosomes à deux chromatides (quantité q). À la fin de la division II (équationnelle), chaque cellule possède n chromosomes à une chromatide (quantité q/2). Au terme du processus, quatre cellules filles à n chromosomes simples sont produites à partir d'une seule cellule mère à 2n chromosomes.
Il provient des crossing-over réalisés en prophase I entre chromatides de chromosomes homologues : des segments de chromatides échangent de place, ce qui crée de nouvelles combinaisons d'allèles sur un même chromosome, différentes des chromosomes parentaux de départ.
Il découle de la répartition aléatoire et indépendante des chromosomes homologues (paternels ou maternels) entre les deux pôles au moment de l'anaphase I. Pour n paires de chromosomes, on dénombre 2ⁿ répartitions possibles des chromosomes d'origine paternelle et maternelle dans les gamètes obtenus.
Ces deux mécanismes de brassage, associés lors de la fécondation au hasard de la rencontre des gamètes, expliquent que les gamètes produits par un même individu soient tous génétiquement différents, et constituent l'une des principales sources de diversité génétique au sein d'une espèce.
À partir d'une cellule mère à 2n chromosomes, la méiose produit 4 cellules filles à n chromosomes, génétiquement différentes les unes des autres et de la cellule mère.
| Critère | Mitose | Méiose |
|---|---|---|
| Nombre de divisions successives | 1 division | 2 divisions (I puis II) |
| Nombre de cellules filles produites | 2 cellules | 4 cellules |
| Nombre de chromosomes des cellules filles | 2n (identique à la cellule mère) | n (réduit de moitié) |
| Diversité génétique des cellules filles | Identiques entre elles et à la cellule mère | Toutes différentes (brassages intra et interchromosomique) |
| Type de cellules concernées | Cellules somatiques | Cellules germinales |
| Lieu / contexte biologique | Dans tous les tissus de l'organisme | Dans les gonades (ovaires, testicules) |
| Rôle biologique | Croissance, renouvellement des tissus, cicatrisation | Production des gamètes, maintien du caryotype de l'espèce à la fécondation |
L'information génétique est portée par l'ADN, présent dans le noyau et organisé en gènes : un gène est un segment d'ADN qui renferme l'information nécessaire à la fabrication d'une protéine donnée. L'expression d'un gène se réalise en deux grandes étapes successives : la transcription, qui se déroule dans le noyau, puis la traduction, qui se déroule dans le cytoplasme au niveau des ribosomes.
Dans le noyau, une enzyme appelée ARN polymérase se fixe sur l'ADN au début d'un gène, ouvre localement la double hélice et synthétise une molécule d'ARN messager (ARNm) en utilisant l'un des deux brins d'ADN comme brin matrice. Cette synthèse obéit à une règle de complémentarité des bases : A (ADN) s'apparie à U (ARN), T (ADN) s'apparie à A (ARN), G (ADN) s'apparie à C (ARN) et C (ADN) s'apparie à G (ARN). Chez les eucaryotes, l'ARNm pré-messager ainsi obtenu subit une maturation (excision des introns non codants, rabout des exons codants) avant de sortir du noyau vers le cytoplasme sous forme d'ARNm mature.
Dans le cytoplasme, l'ARNm mature s'associe à un ribosome, qui lit l'information génétique par groupes successifs de trois nucléotides, appelés codons. Chaque codon correspond à un acide aminé précis, selon un code génétique universel, dégénéré et non chevauchant. Des molécules d'ARN de transfert (ARNt), porteuses chacune d'un triplet appelé anticodon complémentaire d'un codon et liées à l'acide aminé correspondant, apportent les acides aminés dans l'ordre imposé par la succession des codons de l'ARNm.
Initiation : le ribosome se positionne sur l'ARNm au niveau du codon d'initiation AUG, qui code systématiquement la méthionine et détermine le cadre de lecture.
Élongation : le ribosome avance le long de l'ARNm codon après codon ; à chaque étape, un ARNt apporte l'acide aminé associé au codon lu, et une liaison peptidique se forme avec la chaîne polypeptidique en cours d'élaboration.
Terminaison : dès que le ribosome rencontre un codon stop (UAA, UAG ou UGA), qui ne code aucun acide aminé, la synthèse s'interrompt et la protéine achevée est libérée.
ADN → (transcription) → ARNm → (traduction) → protéine. L'information contenue dans la séquence de nucléotides d'un gène est ainsi traduite en une séquence d'acides aminés, qui détermine la structure, puis la fonction, de la protéine correspondante.
Voici, présentées dans le désordre, cinq propositions décrivant des moments du cycle d'une cellule somatique : (a) les chromosomes, encore décondensés, sont dupliqués par réplication de l'ADN ; (b) les chromatides sœurs, désormais séparées, migrent chacune vers un pôle de la cellule ; (c) les chromosomes, condensés et formés de deux chromatides, s'alignent sur la plaque équatoriale ; (d) la chromatine commence à se condenser et le fuseau mitotique se met en place ; (e) les chromosomes se décondensent, deux noyaux se reforment et la cellule se divise en deux.
Chez l'espèce humaine, le caryotype normal comporte 2n = 46 chromosomes. Pour chacune des situations suivantes, préciser le nombre de chromosomes présents dans la cellule ainsi que le nombre de chromatides par chromosome, en justifiant à l'aide du cours :
Une cellule germinale possède deux paires de chromosomes homologues portant des allèles différents : la paire 1 porte les allèles A et B (d'origine paternelle) sur un chromosome, a et b (d'origine maternelle) sur l'autre ; la paire 2 porte l'allèle D sur le chromosome paternel et l'allèle d sur le chromosome maternel. On admet qu'aucun crossing-over ne se produit sur ces deux paires.
Un gène possède, sur son brin matrice (orienté 3'→5'), la séquence suivante :
Brin matrice (3'→5') : TAC TTC GGG GAC ATT
Extrait de la table du code génétique fourni pour cet exercice :
| Codon ARNm | Acide aminé |
|---|---|
| AUG | Méthionine (Met) — start |
| AAG | Lysine (Lys) |
| CCC | Proline (Pro) |
| CUG | Leucine (Leu) |
| UAA / UAG / UGA | Codon stop (aucun acide aminé) |
ARNm (5'→3') : AUG AAG CCC CUG UAACe problème comporte deux parties indépendantes, l'une portant sur la division cellulaire, l'autre sur la synthèse des protéines.
Partie A — Identifier une division à partir de la variation de la quantité d'ADN
On suit expérimentalement la quantité d'ADN par cellule (en unités arbitraires q) au sein d'une lignée de cellules germinales, au cours du temps. Les résultats sont les suivants : de t0 à t1, la quantité reste constante et égale à q ; de t1 à t2, elle passe progressivement de q à 2q ; de t2 à t3, elle reste stable à 2q ; à t3, elle chute de 2q à q dans deux cellules obtenues ; ces deux cellules restent stables à q jusqu'à t4 ; à t4, une nouvelle chute survient, de q à q/2, dans chacune des quatre cellules finalement obtenues, qui restent ensuite stables.
Partie B — Conséquence d'une mutation ponctuelle sur la protéine
On reprend le gène de l'exercice 4, dont le brin matrice 3'-TAC TTC GGG GAC ATT-5' code la séquence Met-Lys-Pro-Leu. Une mutation ponctuelle remplace la dernière base du deuxième triplet du brin matrice : le brin matrice devient 3'-TAC TTA GGG GAC ATT-5' (A à la place du C final de TTC).
10 questions · Correction immédiate
Parmi les phases suivantes de la mitose, laquelle se déroule en première ?
La quantité d'ADN d'une cellule double au cours de :
À partir d'une cellule mère à 2n chromosomes, le résultat de la mitose est :
À partir d'une cellule mère à 2n chromosomes, le résultat de la méiose est :
Le brassage interchromosomique résulte de :
Les crossing-over, à l'origine du brassage intrachromosomique, se produisent au cours de :
La transcription, synthèse de l'ARNm à partir de l'ADN, se déroule dans :
La traduction, synthèse de la protéine à partir de l'ARNm, se déroule au niveau :
Le codon d'initiation de la traduction, codant la méthionine, est :
Parmi les codons suivants, lequel constitue un codon stop ?