LA REGULATION DU CYCLE CELLULAIRE

Marie-Claude Lebart, Jean Mariani
Gilles Furelaud

Chapitre 1 - Mise en évidence de l'existence d'un contrôle du cycle cellulaire
sommaire		Cdk et cycle cellulaire

Les événements et les différentes phases du cycle cellulaire étaient connus depuis longtemps. La remarquable constance de la succession des différentes phases suggérait un contrôle tout au long du cycle, mais les approches biochimiques directes pour mettre en évidence des molécules impliquées dans la régulation ne donnaient aucun résultat. Ce sont des expériences de biologie cellulaire qui ont permis de déceler la présence des facteurs de régulation présents à certaines phases du cycle.

L'entrée en phase M est sous le contrôle d'un facteur diffusible, le MPF (Maturation Promoting Factor) :

Deux types d'expériences ont été menées entre 1960 et 1970, amenant à la notion de MPF : expérience d'injection dans les ovocytes et expériences de fusions cellulaires

• Expérience de micro-injection de cytoplasme d’un ovocyte II (bloqué en 2^ème division de méiose, métaphase II) dans un ovocyte I : l’ovocyte I est maturé

L’ovocyte est un système modèle qui a permis l’analyse du déclenchement de la phase M du cycle cellulaire. Chez le Xénope, c’est après une décharge hormonale de progestérone que l’ovocyte I, jusque là bloqué en début de prophase I de méiose, poursuit la méiose, termine la première division et effectue le début de la deuxième division méiotique jusqu’à la métaphase II, stade auquel il reste à nouveau bloqué ; cette étape s'appelle la maturation.
Lorsque du cytoplasme de cet ovocyte bloqué en métaphase II est prélevé et injecté dans un ovocyte I, il induit la maturation de l’ovocyte receveur.

Expérience d'injection de cytoplasme entre des ovocytes de Xénope. L'injection du cytoplasme prélevé dans un ovocyte II maturé (bloqué en métaphase II) dans un ovocyte I , induit l'entrée en méiose de ce dernier. Cette expérience montre que le cytoplasme de l'ovocyte A contient un composé, présent en méiose, et suffisant pour induire le passage en méiose.

Cette expérience montre qu'une substance contenue dans le cytoplasme de l'ovocyte bloqué en métaphase II peut induire la maturation. Ce facteur a été appelé MPF (Maturation Promoting Factor). On s'aperçut par la suite que le MPF n'est pas seulement le déclencheur de la méiose ovocytaire, mais qu'il déclenche aussi l'entrée en mitose (phase M) des cellules somatiques.
L'abréviation MPF peut donc aussi correspondre à "Mitosis Promoting factor".

En réalité le cytoplasme injecté contient du MPF « actif » (c’est justement parce que ce MPF est maintenu actif que l’ovocyte est bloqué en métaphase II). La petite quantité de MPF actif injectée suffit pour activer le stock de MPF inactif de la cellule receveuse.

• Expériences de fusion de cellules à des stades différents du cycle cellulaire :

Il est possible de réaliser la fusion de deux cellules qui sont à des stades différents du cycle cellulaire : on obtient alors un hétérocaryon (cellule contenant deux noyaux différents) avec mise en commun des cytoplasmes. Ce modèle expérimental permet de savoir si une cellule donnée contient un facteur de stimulation d'une étape du cycle.

La fusion d’une cellule en mitose et d’une cellule en interphase permet d'observer une condensation des chromosomes issus de la cellule en interphase. Un facteur présent dans la cellule en mitose induit donc visiblement une "entrée en mitose" précoce du noyau de la cellule en interphase. Ce facteur est le MPF.

Fusion d'une cellule en interphase (ici phase G2) et d'une cellule en métaphase (phase M). Un facteur diffusible présent dans la cellule en phase M induit l'entrée en mitose (condensation des chromosomes et disparition de l'enveloppe nucléaire) de la cellule en phase G2. Ce facteur est le MPF.

La fusion de toute cellule en interphase (même en phase G1 ou S) et d'une cellule en phase M induit la condensation des chromosomes et la disparition de l'enveloppe nucléaire. A. Fusion d'une cellule en phase G1 avec une cellule en phase M. B. Fusion d'une cellule en phase S avec une cellule en phase M.

• Conclusions

Ces expériences montrent que l'entrée en mitose (ou en méiose) est contrôlée par un facteur cytoplasmique diffusible, le MPF.

Mis en évidence en 1971, le MPF ne sera identifié et caractérisé précisément qu’en 1988* : c’est un complexe formé de deux protéines :

• une sous-unité catalytique, protéine kinase, qui est une enzyme phosphorylant des protéines cibles, et qui n'est activée qu'en présence d'une cycline, d'où son nom, protéine kinase-cycline dépendante (Cdk).
• une sous-unité régulatrice appartenant à la famille des cyclines.

Ce complexe cycline / Cdk agit en déclenchant différentes réactions. Il permet entre autres de provoquer la condensation des chromosomes, de fragmentation de l'enveloppe nucléaire et la formation du fuseau mitotique.

* Les kinases cycline-dépendantes et autres protéines impliquées dans la régulation du cycle cellulaire des cellules de mammifères ont été identifiées grâce aux études effectuées sur la levure (Saccharomyces cerevisiae et Schizosaccharomyces pombe) par une recherche systématique des mutations dans les gènes codant pour des molécules intervenant dans le cycle cellulaire, cdc (cell division cycle). Des souches de mutants cdc thermosensibles ont été utilisées. Pour ces souches, les protéines mutantes sont fonctionnelles à température normale mais pas à température élevée.
Toutes les protéines identifiées chez la levure sont des protéines qui ont été conservées au cours de l'évolution et elles existent également chez les mammifères. C'est donc grâce aux études menées sur la levure que la compréhension de la régulation cellulaire a pu progresser.
Les études sur la levure ne seront pas du tout abordées dans ce cours.

L'entrée en phase S (réplication de l'ADN) est aussi sous le contrôle d'un facteur diffusible

De même que précédemment, on peut réaliser la fusion d'une cellule en phase S avec une cellule en phase G1 ou G2. Les résultats ne sont pas les mêmes dans ces deux cas de figure. Si la cellule est en G1, on observe, après fusion, une réplication prématurée des fibres chromatiniennes de G1 (Fig.A). Si la cellule est en G2 par contre, il n'y aura pas de nouvelle réplication (Fig.B).

Fig.A : Fusion d'une cellule en phase G1 (avant réplication) et d'une cellule en phase S (en réplication). Un facteur contenu dans le cytoplasme de la cellule en phase S agit sur les fibres chromatiniennes de la cellule en G1 pour induire la synthèse d'ADN. Il existe donc, dans le cytoplasme des cellules en phase S, un facteur de stimulation d'entrée en phase S.

Fig.B : Fusion d'une cellule en phase S et d'une cellule en phase G2 (après la réplication). Le facteur contenu dans le cytoplasme de la cellule en phase S n'agit pas sur les fibres chromatiniennes déjà répliquées : ce facteur n'est pas actif sur des cellules ayant déjà répliqué leur ADN. Il existe donc un mécanisme qui bloque toute nouvelle réplication tant que la mitose n'a pas eu lieu.

Un facteur présent en phase S permet l'entrée en phase S des cellules n'ayant pas encore répliqué leur ADN (cellules en phase G1). Ce facteur est par contre sans effet sur les cellules ayant déjà réalisé la phase S (cellules en phase G2).

NB : le noyau S n'entrera en mitose que lorsque la réplication sera terminée (cf contrôle de l'entrée en M)

Ce facteur correspond en fait à un complexe protéique, qui est de même nature que le MPF, c'est à dire formé d'une Cdk associée à une cycline.

Conclusion : deux transitions importantes dans le cycle cellulaire

Ces expériences permettent donc de mettre en évidence que deux transitions importantes dans le cycle cellulaire, l'entrée en mitose et l'entrée en phase S, sont sous la dépendance de facteurs de régulation.

Le cycle cellulaire présente au moins deux transitions importantes.

La caractérisation précise des molécules impliquées a permis de démontrer que dans ces deux cas (ainsi que dans les autres transitions de phases), on retrouve des complexes moléculaires semblables, constitués :

• d'une cycline, protéine sans activité enzymatique, et dont la présence, indispensable à l'activité du complexe, varie au cours du cycle
• d'une kinase, active lorsqu'elle est associée à une cycline : c'est à dire une Cdk (Cyclin Dependent Kinase : kinase dépendante d'une cycline).

Comprendre comment le cycle cellulaire est régulé nécessite donc de comprendre ce que sont ces Cdk et de comprendre leur mode de fonctionnement.

chapitre 2 - Kinases cycline - dépendantes (Cdk) et cycle cellulaire
sommaire		Cdk et cycle cellulaire

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Mise en ligne : juin 2004 Dernière modification : juin 2004