La mitose
e cycle cellulaire d’un eucaryote est dominé par une division, la mitose (Figure 1). Par convention, nous notons n le nombre de chromosomes hétérologues (portant des informations génétiques différentes) et C le nombre de chromatides par chromosome. Ainsi une cellule diploïde possédant deux chromatides par chromosome est noté 2n, 2C. La mitose est composée de quatre étapes qui, à partir d’une cellule mère, donnent deux cellules filles identiques à la cellule mère (2n, 2C donne 2 fois 2n, 2C, Figure 1). Ces quatre étapes sont : La prophase, durant laquelle la cellule se prépare pour la division en désintégrant l’enveloppe nucléaire, en condensant les chromosomes et en initiant l’anneau mitotique ; La métaphase voit les chromosomes s’aligner par le centrosome au centre de la cellule le long de la plaque métaphasique (structure imaginaire localisé au centre de la cellule) ; L’anaphase consiste en la séparation des chromatides de chaque chromosome, de part et d’autre de la cellule, de manière à les répartir de façon strictement égale ; Enfin la télophase est la réversion des évènements de prophase et de métaphase afin de reformer deux noyaux au sein de la cellule. Cette dernière étape peut être suivie d’un autre mécanisme indépendant de la mitose, la cytokinèse, afin de finaliser la formation des deux cellules filles. Ceci n’est pas obligatoire, comme dans par exemple le cas des cellules plurinucléées.
11 .
Figure 2 : Le plus grand génome connu chez les plantes. Visualisation du caryotype de deux membres de la
famille des Mélanthiacées (plantes monocotylédones de l’ordre des Liliales), (A) Chionographis japonica (1,5 Gb) et (B) Paris japonica (150 Gb). Cette dernière est connu pour être l’organisme eucaryote possédant le plus grand génome. Les deux images sont au même grossissement. (Pellicer et al., 2010, Photos: Wikipédia)
C
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La méiose
2.1.2.1 Généralités
Au sein du règne eucaryote, la reproduction sexuée occupe une place prédominante et voit la création d’un type cellulaire spécifique : les gamètes, femelles ou mâles créés par la réduction de moitié du nombre de chromosomes durant la méiose (Figure 1). Cette autre division cellulaire particulière qui se met en place est alors une étape essentielle du cycle de vie des organismes à reproduction sexuée.
L’apparition de la méiose a eu lieu tôt dans l’évolution des eucaryotes (11). Des analyses moléculaires, génétiques et phylogénétiques récentes ont montré que le mécanisme de base est largement conservé parmi les différents règnes du vivant mais, néanmoins, des différences
significatives existent entre les espèces (11–13). Au cours du début du 20éme siècle, les plantes
étaient le fleuron des études méiotiques et ce à plusieurs titres. Leurs grands génomes (a fortiori leurs grands chromosomes) les rendent très intéressantes en cytogénétique (Figure 2) (14, 15). L’examen de la méiose implique aussi l’étude de la fertilité et des variations génétiques, représentant de grands enjeux en agronomie. En effet, en plus d’assurer la bonne ségrégation des chromosomes, la recombinaison méiotique permet un brassage génétique de génération en génération, étant à l’origine d’une diversité génétique sur laquelle s’appuie la sélection variétale. Enfin, les plantes convenaient tout particulièrement aux analyses génétiques, en témoigne le développement dans les années 1980 de plusieurs collections de mutants méiotiques chez de nombreux végétaux (maïs, tomate, seigle) (16). Cependant, l’élévation d’Arabidopsis thaliana au rang d’espèce modèle à la fin des année 1990 a permis aux scientifiques de combiner les approches cytogénétiques, moléculaires et génétiques. Dernièrement ce sont d’autres espèces comme le riz, le maïs, le colza, l’orge et le blé qui rejoignent l’espèce modèle dans l’amélioration de notre
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Figure 3 : Vue d'ensemble de la méiose. (A) La phase préméiotique comprend la différenciation des méiocytes
et la phase S de la méiose. (B) Au leptotène, les axes des chromosomes se forment et la recombinaison est initiée. (C) Au zygotène, la synapse se produit par la polymérisation du complexe synaptonémal et la recombinaison progresse. (D) Au pachytène, la synapse est complète et la recombinaison progresse. (E) Au diplotène, le complexe synaptonémal se défait. Les chromosomes homologues sont reliés par des crossovers. (F) Lors de la diakinése, il se produit une condensation chromosomique et les bivalents peuvent être distingués. (G) La prophase I se termine et l'enveloppe nucléaire se décompose. (H) En métaphase I, le fuseau aligne les bivalents sur la plaque métaphasique. (I) À l'anaphase I, la libération de la cohésion des chromatides sœurs permet la migration des chromosomes au niveau des deux pôles. La cohésion péricentromérique est néanmoins protégée. (J) À l'interkinése, deux noyaux se forment et les chromosomes décondensent brièvement. Cette étape englobe la télophase I et la prophase II. Chez les monocotylédones, la cytokinèse a lieu avant le début de la méiose II; chez les dicotylédones, la cytokinèse ne se produit qu'à la télophase II. (K) À la métaphase II, deux fuseaux se forment qui alignent les chromosomes sur deux plaques métaphasiques. (L) À l'anaphase II, les chromatides sœurs se séparent après la libération de la cohésion centromérique. (M) À la télophase II, quatre noyaux se forment. (N) À la cytokinèse, les spores haploïdes sont libérées. (Mercier et al., 2015)
14 connaissance des mécanismes de la méiose, un processus majeur dont une étape clé est la recombinaison méiotique.
2.1.2.2 Mécanismes
A l’instar de la mitose, la méiose est composée de deux étapes de ségrégation chromosomique qui suivent une unique étape de réplication de l’ADN et ainsi permet à partir d’une cellule mère avec chaque chromosome sous forme de paires de chromosomes homologues à deux chromatides (Diploïde, 2n, 4c), de créer quatre cellules filles avec dans chacune, chaque chromosome sous forme d’un chromosome à une chromatide (Haploïde, n, c) (Figure 3). Ces deux divisions sont nommées méiose 1 et méiose 2. La méiose 1 est spécifique à la méiose et est une division dite réductionnelle donnant deux cellules haploïdes avec des chromosomes à deux chromatides chacun. La méiose 2 est une division dite équationnelle donnant quatre cellules haploïdes avec des chromosomes à une chromatide chacun. Une série d’innovations supplémentaires par rapport à la mitose est à l’origine de ces deux séparations chromosomiques. Chacune des deux divisions est composée des quatre phases, les mêmes que la mitose. La méiose 2 ressemble dans son fonctionnement à une mitose classique d’une cellule. En revanche la méiose 1 est plus complexe. En premier lieu nous pouvons citer la formation de bivalents qui consiste en la liaison physique entre deux chromosomes homologues chacun constitué de deux chromatides sœurs répliquées. Si les trois dernières phases consistent en la séparation des chromosomes homologues, la première phase, la prophase 1, est le siège de l’appariement de ces chromosomes homologues. Cette prophase particulière est elle-même divisée en 5 étapes : le leptotène, le zygotène, le pachytène, le diplotène et la diacinèse (Figure 3). Au préalable, chaque chromatide entre en cohésion avec sa sœur en vue de se condenser durant le leptotène sous forme de structures distinctes apparentées à des fils. Durant ce même stade, les chromosomes homologues commencent à s’apparier en
16 préparation du zygotène, au cours duquel se forme la synapse. Ce processus voit la mise en place d’un complexe protéique le long des chromosomes homologues afin de les relier à l’image d’une fermeture éclair, le complexe synaptonémal. Au stade pachytène, la synapse est complète, c’est-à-dire que les deux homologues sont joints étroitement sur toute leur longueur, le complexe synaptonémal se désagrège alors et la chromatine se décondense. Ce n’est que lors du diplotène que les chromosomes se recondensent et que des liens physiques appelés aussi chiasmas, se créent, pour assurer l’égal répartition des chromosomes à la fin de la méiose 1. Chez la plupart des espèces, cette liaison particulière dépend d’au moins un échange réciproque entre deux chromatides homologues par bivalent appelé crossover (CO). Afin que les chromosomes homologues ségrégent correctement et que des gamètes viables se forment, la formation d’au moins un CO par bivalent est indispensable chez la plupart des espèces. C’est alors l’entrée dans la première phase de division méiotique aussi appelée diacinèse. Une série de contrôles spécifiques à la méiose est mise en place pour assurer la bonne séparation des chromatides sœurs ainsi que la bonne orientation du kinétochore pour assurer une ségrégation équilibrée des chromosomes à chaque étape de la méiose (méiose 1 et 2). Enfin, alors que la mitose impose une alternance stricte entre division et réplication, ici les règles changent afin que les deux divisions méiotiques se suivent strictement.
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Figure 4 : Modèle de la formation de CO et de NCO par Szostak. Dans le modèle de Szostak, une cassure
double-brins (CDB) apparaît sur un chromosome homologue (bleu) et les deux extrémités en duplex de cette CDB sont traitées pour former des extrémités 3’ simple brin (i). Une extrémité de la CDB envahit l’autre chromosome homologue (rouge) et met en place une structure dite D-loop (ii). La synthèse d'ADN permet le prolongement de la D-loop et permet l'hybridation du second côté de la CDB. Une synthèse supplémentaire d'ADN comble les lacunes restantes et une double structure dite double jonction de Holliday (dHJ) se forme (iii). Le clivage et l’hybridation (ou « résolution ») de l'une ou l'autre paire de brins orientés de la même façon dans chaque dHJ (« 1 » ou « 2 ») se produisent de manière aléatoire. Dans la figure, la dHJ de gauche a été résolu avec l’orientation « 1 » ; La résolution de la dHJ de droite dans l’orientation « 1 » produit alors un non-crossover (NCO) (iv) et dans l’orientation « 2 » un crossover (CO) (v). (Cromie and Smith, 2007)
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