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LA MÉCANIQUE DE LA DIVISION CELLULAIRE

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LA MÉCANIQUE DE LA DIVISION CELLULAIRE. Plan. I - Vue générale de la phase M II - Mitose III - Cytocinèse. II – Mitose. Mitose : fuseau mitotique. Émanation du cytosquelette : microtubules + protéines associées Séparation des chromosomes filles vers les pôles Ecartement des pôles.

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Presentation Transcript
slide2
Plan

I -Vue générale de la phase M

II - Mitose

III - Cytocinèse

mitose fuseau mitotique
Mitose : fuseau mitotique
  • Émanation du cytosquelette : microtubules + protéines associées
  • Séparation des chromosomes filles vers les pôles
  • Ecartement des pôles
2 v nements
2 événements
  • Fuseau : dans le cytoplasme
  • Condensation des chromosomes : dans le noyau
  • Prométaphase : mélange des deux compartiments 
les microtubules
Les microtubules
  • Capturent les chromosomes
  • Intervention des moteurs
    • Proches des extrémités des microtubules
    • Famille des kinésines (  extrémité +)
    • Famille des dynéines (  extrémité -)
  • Extrémités des microtubules
    • Site d’assemblage et de désassemblage des microtubules
    • Lieu de production de force
  • Fuseau
    • Équilibre entre les deux forces opposées (moteurs + et moteurs -)
les trois classes de microtubules
Les trois classes de microtubules
  • MT astraux
    • Irradient dans toutes les directions
    • Séparation des pôles
      • Poignées d’orientation et de positionnement du fuseau dans la cellule
  • MT du kinétochore
    • Liés au kinétochore
    • Fixent les chromosomes au fuseau
  • MT chevauchant (polaires)
    • Symétrie bipolaire du fuseau
fig 18 10
Fig 18-10

Les trois classes de microtubules

MT astraux

MT du kinétochore

MT chevauchant (polaires)

Toutes les extrémités – sont vers le centrosome

rappel sur les microtubules interphasiques
Rappel sur les microtubules interphasiques
  • Réseau de microtubules émanant du centrosome
  • Instabilité dynamique
      • Croissance  raccourcissement = catastrophe
      • Raccourcissement  Croissance = restauration
slide10
Plan
  • Prophase
    • Modification de la stabilité des microtubules : équilibre MAPs  catastrophines
    • Assemblage du fuseau :équilibre moteurs à direction +  moteurs à direction -
  • Prométaphase
  • Métaphase
  • Anaphase
  • Télophase
a prophase
A – Prophase
  • Modification de la stabilité des microtubules : équilibre MAPs  catastrophines
  • Assemblage du fuseau :équilibre moteurs à direction +  moteurs à direction -
1 modification de la stabilit des microtubules quilibre maps catastrophines
1 - Modification de la stabilité des microtubules : équilibre MAPs  catastrophines
changement brutal des microtubules en prophase le constat
Changement brutal des microtubules en prophase : le constat
  • Longs et peu nombreux (interphase) 
  • Plus nombreux et plus courts
  • Effondrement de la demi-vie des microtubules
  • Augmentation de l’instabilité des microtubules
  • Augmentation du nombre de microtubules irradiant du centrosome
    • Par modification des centrosomes qui augmentent leur taux de nucléation
fig 18 11
Fig 18-11

Les microtubules mitotiques sont différents des microtubules interphasiques

protocole d tude
Protocole d’étude
  • Cellule en culture (lignée PTK1 et BSC) injectée avec tubuline-fluorochrome (dichlorotriazinyl-aminofluorescein (DTAF-tubulin))
  • Irradiation avec un rayon laser d’une petite surface jusqu'à extinction de la fluorescence
  • Evaluation de la réapparition de la fluorescence en fonction du temps
saxton wm j cell biol 99 2175 1984
Saxton, WM J Cell Biol 99:2175, 1984
  • FIGURE 8 Comparison of FRAP rates for a metaphase and an interphase cell. Examples of relative fluorescence intensity plotted against time after photobleaching for a metaphase cell (●) and an interphase cell (○). Circles represent data points determined by microdensitometry of negatives. Lines represent best fitting curves using the function l/lmax = 1 – e –kt (30). The t½ for each curve is noted on the X axis.
changement brutal des microtubules en prophase m canisme de d clenchement en d but de mitose
Changement brutal des microtubules en prophase : mécanisme de déclenchement en début de mitose
  • M-Cdk phosphoryle
    • Des moteurs protéiques
    • Des MAPs (Microtubule Associated Proteins) (leur phosphorylation  diminution de la stabilité des microtubules)
  •  contrôle de la dynamique des microtubules
  • Démonstration par biochimie chez Xenopus
xenopus
Xenopus
  • Extrait d’œuf de Xenopus en phase M ou en interphase+
  • Centrosome + tubuline fluorescente 
  • Nucléation des microtubules à partir des centrosomes
  • (Analyse en vidéo microscopie à fluorescence « time-lapse »)
  • Mais #1p1038
    • Extraits mitotiques  taux très élevé de catastrophes
    • Extraits interphasique  taux plus bas de catastrophes
les catastrophines
Les catastrophines
  • Protéines
  • Augmentent la fréquence des catastrophes
fig 16 55
Fig 16-55
  • Kinésines et Kinesin-related proteins
    • KIF2
      • moteur au milieu de la chaîne lourde
      • pas d'activité moteur classique
      • se lie aux extrémités des microtubules pour augmenter leur instabilité dynamique  nom de catastrophine
antagonisme catastrophines maps1
Antagonisme catastrophines / MAPs
  • Microtubules plus dynamiques en phase M
    • Par action sur catastrophines et MAPs 
    • Augmentation du taux de dépolymérisation des microtubules (catastrophines)
    • Diminution du taux de dépolymérisation des microtubules (MAPs)
    • Augmentation et diminution du taux de dépolymérisation des microtubules
fig 18 12 a
Fig 18-12(A)

Contrôle de la longueur des microtubules par l'équilibre entre catastrophines et MAPs

Catastrophes avec extraits mitotiques > catastrophes avec extraits interphasiques

fig 18 12 b
Fig 18-12(B)

Centrosomes et noyaux de spermatozoïdes dans des extraits mitotiques

Extraits mitotiques normaux  fuseau normal

Déplétion en XMAP215  fuseau très anormal

Probablement parce que les microtubules nucléés par les centrosomes sont trop courts

Mitose dans un extrait normal

Mitose dans un extrait dépléte en XMAP215

slide26
20 mn

20 mn

Régis Tournebize, Andrei Popov, Kazuhisa Kinoshita, Anthony J. Ashford, Sonja Rybina, Andrei Pozniakovsky, Thomas U. Mayer, Claire E. Walczak, Eric Karsenti & Anthony A. Hyman Control of microtubule dynamics by the antagonistic activities of XMAP215 and XKCM1 in Xenopus egg extractsNature Cell Biology  2, 13 - 19 (2000)

Spindle formation observed in control and XMAP215-depleted extracts. Microtubule arrays are seen in control (left) and XMAP215-depleted (right) extracts 20 and 45 min after addition of sperm nuclei. Spindles are seen 45 min after sperm addition. Scale bar represents 10 µm.

45 mn

45 mn

Les fuseaux deviennent visibles 45 min après l’ajout des spermatozoïdes

propri t s des microtubules
Propriétés des microtubules
  • Si monomérique : le moteur se déplace
  • Si multimérique : liaison de 2 microtubules adjacents qui peuvent se déplacer l’un par rapport à l’autre
    • Génération de foyers à extrémités moins  pôles du fuseau
    • Glissement de microtubulesl’un par rapport à l’autre zone de chevauchement dansle fuseau
fig 18 13
Fig 18-13

Importance des moteurs multimériques pour

Assemblage

fonctionnement des microtubules

assemblage du fuseau quilibre
Assemblage du fuseau = équilibre
  • Croissance de microtubules à partir de chaque centrosome  les microtubules ont des polarités opposées
  • Association de moteurs à déplacement + 
    • Écartent les centrosomes
  • Des moteurs à déplacement - 
    • Rapprochent les centrosomes
  • Formation du fuseau = équilibre entre les deux
fig 18 14
Fig 18-14

Prophase : séparation des pôles du fuseau grâce à

des moteurs + (kinésine): rencontre de deux microtubules polaires de polarité opposée

des moteurs – (dynéine) associés à l’enveloppe nucléaire via les microtubules astraux

fig 18 141
Fig 18-14

Prophase : séparation des pôles du fuseau grâce à

des moteurs + (kinésine): rencontre de deux microtubules polaires de polarité opposée

des moteurs – (dynéine) associés à l’enveloppe nucléaire via les microtubules astraux

r gulation de la longueur du fuseau les moteurs du fuseau
Régulation de la longueur du fuseau : les moteurs du fuseau
  • Vertébrés : 7 familles de moteur apparentés à la kinésine
  • S. cerevisiae : 5 familles de moteur
    • Augmentation du moteur +  fuseau anormalement long
    • Augmentation du moteur -  fuseau anormalement court
fig 18 15
Fig 18-15

L'influence de moteurs à sens de marche opposé sur la longueur du fuseau mitotique

Kar 3p : moteur vers -

Cin 8p : moteur vers +

Normal moteur -  fuseau court moteur +  fuseau long

Chez la levure il n’y a pas de rupture de l’enveloppe nucléaire pendant la mitose

Fuseau

Pôles du fuseau

chez l homme
Chez l’homme
  • Probablement comme chez la levure
  • La phosphorylation d’au moins un moteur par M-Cdk est nécessaire pour la fixation du moteur au fuseau
b prom taphase
B – Prométaphase
  • Rupture soudaine de l’enveloppe nucléaire
    • Déclenchée par la phosphorylation directe des lamines nucléaires par M-Cdk
  • Les microtubules accèdent aux chromosomes pour la 1ère fois
cons quences
Conséquences
  • Phénomène de « recherche et capture » des chromosomes par les microtubules
  • Un microtubule qui rencontre un chromosome s’attache et se stabilise  plus (zéro) de catastrophes
  • Peut rencontrer un kinétochore :
    • S’attache par l’extrémité (bout + du microtubule)
    • Le microtubule s’appelle alors « microtubule du kinétochore »
fig 18 16
Fig 18-16

Les microtubules du kinétochore

1 à 40 microtubules par kinétochore

ADN &les 2 kinétochores

fig 18 19
Fig 18-19

Microscopie électronique d'un kinétochore

Structure trilamellaire

kin tochore
Kinétochore
  • Rôle capital dans le mouvement des chromosomes sur le fuseau
  • Contiennent des moteurs + et des moteurs –
  • Mode d’attachement des microtubules aux kinétochores inconnu (d’autant plus que ce bout + se polymérise et se dépolymérise constamment)
slide44
Microtubule Capture: A Concerted Effort Chitra Kotwaliwale and Sue Biggins Cell, Volume 127, Issue 6 , 15 December 2006, Pages 1105-1108
  • Attachement du kinétochore aux microtubules et sa régulation par Aurora B
  • Le kinétochore – structure protéique qui se forme au contact de l’ADN centromérique-est composé de multiples protéines de liaison de faible affinité au microtubule. Alors que le complexe Ncd80 se lie à la charpente en réseau du microtubule, d’autres composants peuvent se lier à l’extrémité plus du microtubule.
  • En réponse à des forces de tension, Aurora B phosphoryle les protéines de liaison au microtubule pour diminuer l’affinité de ces facteurs aux microtubules. Ceci conduit au détachement des microtubules des kinétochores. Des facteurs comme INCENP-survivine peuvent exercer de nombreuses fonctions au niveau du kinétochore. En plus de leur rôle de senseurs de tension régulés par Aurora B, ces molécules peuvent aussi promouvoir une activité de liaison au noyau du microtubule
kin tochore2
The kinetochore is a specialized chromosomal structure that facilitates chromosome attachment and movement along spindle microtubules during chromosome segregation. Furthermore, the kinetochore communicates the actual state of its interaction with the spindle to a cell cycle regulating machinery. It is the first member of a signaling cascade that inhibits sister chromatid separation (the beginning of anaphase) if chromosomes lack a stable bi-polar spindle attachment. A defect in this checkpoint function has been correlated to human cancers. My group analyses the protein composition and structure of the S. cerevisiae kinetochore by mass spectroscopy and the function of individual kinetochore proteins applying cell and molecular biological methods.Kinétochore
kin tochore3
Kinétochore

Hierachical Structure of the Yeast Kinetochore

A small CEN DNA interacts with CBF3, an inner kinetochore complex that recruits a specialized nucleosome. Together these complexes recruit multiple discrete protein complexes, ultimately resulting in a large structure that mediates the attachment and movement of chromosomes on the mitotic spindle.

attachement des microtubules aux kin tochores
Attachement des microtubules aux kinétochores
  • Facile à observer dans les cellules de poumon de têtard
  • Liaison par le côté du microtubule
  • Puis glissement rapide vers le centrosome
  • Puis l’attachement latéral est converti en fixation par l’extrémité
  • En même temps attachement de l’autre kinétochore par les microtubules du centrosome opposé 
  • Attachement bipolaire du chromosome
fig 18 17
Fig 18-17

Capture des microtubules par les kinétochores

constitution de la plaque m taphasique
Constitution de la plaque métaphasique
  • Les chromosomes sont tirés d’avant en arrière 
  • Position équidistante des pôles 
  • Plaque métaphasique
fig 18 18
Fig 18-18

Plaque métaphasique : chromosomes

Kinétochores

Microtubules

5 m

plaque m taphasique
Plaque métaphasique
  • Oscillation des chromosomes…
  • en attendant le signal de la séparation…
  • qui est le dernier signal négatif émis par le dernier kinétochore
fig 18 20
Fig 18-20

Dynamique des microtubules du fuseau métaphasique

rhodamine - tubuline en rouge

colorant bleu pour l'ADN

Fluorescéine (caged) - tubuline en vert

10 m

1,5 mn

Fluorescéine invisible parce que « cagée »

2,5 mn

« décageage » de la fluorescéine par UV juste à gauche de la plaque métaphasique

fig 18 21
Fig 18-21

Microscopie à fluorescence de microtubules isolés

fig 18 22
Fig 18-22

Alignement des chromosomes sur la plaque métaphasique par des forces opposées

fig 18 23
Fig 18-23

Assemblage du fuseau sans centrosome dans un embryon parthénogénétique d'insecte Sciara (absence d'aster)

d anaphase
D - Anaphase
  • Anaphase A
  • Anaphase B
fig 18 24 a
Fig 18-24(A)

Assemblage d'un fuseau bipolaire sans centrosome ni kinétochore

Billes recouvertes d'ADN bactérien en présence d'extrait d'oeuf de Xenopus

fig 18 24 b
Fig 18-24(B)

Assemblage d'un fuseau bipolaire sans centrosome ni kinétochore

Billes recouvertes d'ADN bactérien en présence d'extrait d'oeuf de Xenopus

fig 18 25
Fig 18-25

Séparation des chromatides en anaphase

Microtubules colorés par des AC anti tubuline marqués à l'or

fig 18 25a
Fig 18-25A

Forces qui séparent les chromosomes en anaphase A

fig 18 25b
Fig 18-25B

Forces qui séparent les chromosomes en anaphase B

fig 18 27
Fig 18-27

Deux modèles de migration du kinétochore vers le pôle pendant l'anaphase A

fig 18 28
Fig 18-28

Diminution de la zone de chevauchement des microtubules chevauchant de la métaphase à l'anaphase chez les diatomés

fig 18 29
Fig 18-29

Fonctionnement des moteurs protéiques pendant l'anaphase

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