Ciclului celular este un set de etape care constituie și delimitează viața unei celule . Acest ciclu este compus din mai multe faze de creștere în care celula crește și își repetă materialul genetic (interfază) și dintr-o fază în care se divide (mitoză) pentru a da naștere la două celule fiice identice (în cazul mitozei). Celulele fiice vor reproduce acest ciclu și așa mai departe.
Duratele diferitelor faze ale ciclului celular ar putea fi măsurate in vitro în condiții optime:
Cu, în funcție de specie și tipuri de celule:
Genomului de eucariotelor cuprinde un număr N de tipuri de cromozomi . Acest număr diferă de la o specie la alta.
Fiecare celulă diploidă conține doi cromozomi omologi (cu aceleași funcții) pe tip - unul de la tată și unul de la mamă - în total de 2 ori N, prescurtat „2N”, cromozomi.
Fiecare celulă haploidă conține un singur cromozom pe tip - un amestec de gene de la tată și mamă obținut prin procesul de încrucișare , vezi mai jos - în total de 1 ori N, prescurtat cromozomi „1N”.
Cromozomii produși prin procesul de replicare sunt numiți „ cromatide ” sau „cromatide surori” și nu revin la numele lor de „cromozom” după separarea lor în mitoză / anafază sau meioză / anafază2. Alte surse folosesc termenul „cromatidă” numai atunci când centromerii cromozomilor sunt în contact unul cu celălalt.
Numărul de cromatide pe tip de cromozom într-o celulă este indicat de un număr, urmat de litera C. De exemplu, „4C” pentru 4 cromatide pe tip de cromozom.
Cateva exemple :
Notă: Pentru claritate, ilustrațiile și textele care urmează sunt scrise de parcă ar exista un singur tip de cromozom. În mod evident, trebuie amintit că acestea se aplică tuturor tipurilor de cromozomi N.
Interfaza este atunci când trăiește celula și face tot ce este programat (~ 90% din ciclul celular). De asemenea, se pregătește să se împartă. Etapele diviziunii sunt detaliate mai jos:
Mitoza este atunci când celula se divide. Mitoza (divizarea celulară cu sau fără multiplicare celulară) este utilizată în primul rând pentru creșterea și regenerarea - prin replicare cromozomială și diviziune celulară - a țesutului celular al fiecărui organ al corpului. Această creștere merge mână în mână cu diferențierea celulară .
În timpul diviziunii mitotice, celula mamă dă naștere la două celule fiice identice genetic. Una dintre celulele fiice rămâne în stadiul diferențierii de celula mamă, în timp ce cealaltă își dobândește proprietatea funcțională în timpul acestui proces. Prin urmare, un țesut este format din două tipuri de celule: cele care asigură descendența și cele care asigură funcția. De exemplu, celulele stem sunt produsul liniilor fără diferențiere, în timp ce celulele funcționale sunt programate să moară. Acestea sunt ultimele lucrări ale celulei care au validat teoria doctorului André Gernez , care datează din 1971-72. Etapele diviziunii sunt detaliate mai jos:
NB: există în realitate o fază intermediară a „prometafazei” în timpul căreia se observă ruperea învelișului nuclear, precum și pătrunderea microtubulilor kinetocorici și polari în „zona nucleară” (este mai ușor să nu luați în considerare această fază) .
Scopul meiozei este dublu: pe de o parte, amestecarea genomului patern și matern, asigurând astfel o variație genetică maximă și, pe de altă parte, producerea de celule haploide către o cromatidă pentru reproducere sexuală.
În timpul fertilizării, o celulă 1N-1C va fuziona cu un gamet de la un alt organism pentru a produce un zigot 2N-2C.
Uneori vorbim de celule „post-mitotice” pentru a desemna celule în repaus sau senescente. Celulele neproliferative din eucariotele multicelulare intră, în general, în starea de repaus G0 din starea G1 și pot rămâne în repaus o perioadă foarte lungă de timp, sau chiar pe termen nelimitat (ceea ce se întâmplă frecvent în neuroni). Acest lucru este foarte adesea cazul în celulele complet diferențiate. Senescența celulară apare ca urmare a degradării sau deteriorării ADN-ului, leziuni care altfel ar duce la neviabilitatea descendenților celulari (carcinogeneză etc.). Există unele celule care intră în faza G0 pentru o perioadă semipermanentă, inclusiv unele celule din ficat, rinichi și stomac. Cu toate acestea, multe celule nu intră niciodată în faza G0 și, în schimb, continuă să se împartă pe tot parcursul vieții organismului (de exemplu, celulele epiteliale).
Legendă:
Mecanismele de reglare a ciclului celular se bazează în esență pe două structuri proteice complementare numite Cdk ( kinază dependentă de ciclină ) și ciclină . Cdk este componenta de bază, dar, așa cum sugerează și numele, are nevoie de o ciclină pentru a-și activa funcțiile. Cdks și ciclinele se combină și formează complexe heterodimere.
Există mai multe tipuri de Cdk și cicline. Primele sunt identificate prin numere, iar cele din urmă prin litere. Pentru un complex, se va nota, de exemplu: Cdk4 -CyclineD. Un Cdk poate forma complexe cu mai multe cicline diferite și invers. Unul sau mai multe complexe Cdk-ciclină corespund fiecărei faze a ciclului celular.
Un Cdk este alcătuit din doi lobi: lobul N, alcătuit în esență din foi beta, și lobul C, alcătuit în esență din helice alfa. La intersecția celor doi lobi, există un sit catalitic în care are loc fosforilarea , care activează proteinele care joacă un rol în ciclul celular (fragmentarea învelișului nuclear, compactarea cromozomilor, replicarea ADN etc.). Pentru aceasta, Cdk are nevoie de cicline și diverse proteine reglatoare. Site-ul cuprinde două buzunare juxtapuse: unul pentru a primi substratul (proteina care urmează să fie fosforilată), celălalt pentru a primi ATP . În esență, fosforilarea are loc prin transferul fosfatului-γ de la ATP la substrat. Rezultat ADP și substratul fosforilat sunt apoi eliberate.
În starea inactivă, intrarea în situl catalitic este blocată de două bucle proteice: domeniul PSTAIRE (numit după inițialele aminoacizilor constitutivi) și bucla T (bucla T ).
În timpul asocierii cu ciclina, bucla PSTAIRE suferă o rotație care modelează buzunarul ATP pentru a obține o orientare adecvată a trifosfatului în timpul fosforilării substratului.
În același timp, bucla T este deplasată, expunând anumiți aminoacizi CDK ( treonina 161, treonina 14 și tirozina 15) la kinaze reglatoare.
De ciclinele sunt activatori primare complexe CDK-ciclină. În plus, acestea sunt reglate de o serie de kinaze și fosfataze care activează și inhibă, precum și de molecule inhibitoare numite CKIs (inhibitor de kinază dependentă de ciclină).
Activatoare kinazeÎn timpul tranziției are loc transcrierea genelor esențiale pentru G1 și intrarea în diviziune. Această transcriere este stimulată de două căi de semnalizare:
Genele pentru ciclinele D și E, precum și proteinele p21 și p27 sunt transcrise, inclusiv ciclina E sub controlul E2F.
Acest pasaj se află sub controlul punctului R, el însuși sub controlul mai multor proteine: Rb , E2F , cdk2 , cdk4 . În faza G1, Rb nefosforilat se leagă și inhibă E2F.
În timpul pasajului cycD / cdk4 și cycE / cdk2 hiperfosforilează Rb (4 situri de fosforilare), care eliberează E2F . E2F liber formează un heterodimer cu proteina DP. Împreună joacă rolul unui factor de transcripție și induc genele țintă, permițând progresia către faza S, în timpul căreia are loc sinteza ADN-ului .
Acest pasaj este reglementat de complexul Cdk1-CyclineB.
La început, ciclina B se leagă de Cdk1 ceea ce va determina „deschiderea” brațului permițând accesul la situl ATPasic al Cdk1. Complexul ciclin B-Cdk1 va fi fosforilat de enzima Wee1 pe treonină 14 și tirozină 15 din Cdk1 care împiedică accesul ATP la situsul ATPazei.
Apoi, enzima CAK fosforilează complexul pe treonina 161 din Cdk1 care permite „deschiderea” brațului permițând accesul substratului la locul substratului Cdk1. Deoarece accesul la site-ul ATP este blocat, Cdk rămâne inactiv, deci nu poate încă fosforila substratul. În acest moment, complexul este fosforilat de 3 ori. Aceasta formează pre-MPF.
Pentru ca acesta din urmă să devină activ și, prin urmare, să inducă trecerea în mitoză , acesta trebuie defosforilat pe reziduurile 14 și 15 de Cdc25: aceasta determină „deschiderea” brațului care permite accesul la situsul ATPazei. Într-adevăr, complexul fosforilat numai pe reziduul 161 de Cdk1 formează MPF activ.
ATP la locul ATPazei renunță la grupul său fosfat substratului care este astfel fosforilat. În funcție de natura substratului, această fosforilare va inhiba sau activa acest substrat.
Prin urmare, există o adevărată concurență între Wee1, care este o kinază și care, prin urmare, va tinde să se fosforileze pe resturile 14 și 15 și astfel să inactiveze MPF și Cdc25, care este o fosfatază și care, prin urmare, va tinde să defosforileze reziduurile. și astfel activați pre-MPF în MPF activ. Există o intrare în faza de mitoză.
Wee1 este activ atunci când nu este fosforilat, în timp ce Cdc25 este activ doar atunci când este fosforilat. Prin urmare, există intervenția altor proteine kinază și fosfatază .
Principiu: timidina radioactivă tritiată (H3), merge la nucleu și este încorporată numai în celule al căror ADN încorporează nucleotide, adică celule din faza S. Interesul timidinei este că se încorporează în ADN, dar nu în ARN. După clătirea mediului de cultură și apoi incubare, poate fi măsurată proporția de celule care conțin timidină radioactivă.
Principiu: celulele sunt incubate cu un colorant ADN fluorescent. Cantitatea de fluorescență este proporțională cu intensitatea fluorescenței. Se folosește un fluorimetru . Durata fazei G1 poate fi astfel calculată. Durata fiecărei faze se obține prin combinarea celor trei tehnici.
Reglarea ciclului celular trebuie să fie foarte fină. De exemplu, cancerele se caracterizează printr-o proliferare anarhică din cauza întreruperii sistemului de control al ciclului celular. Vezi oncogenele , care sunt adesea gene care codifică proteinele responsabile de controlul ciclului celular.
NB: În timpul ciclului celular, există puncte de control care permit celulei să verifice dacă nu s-a făcut nicio modificare la nivel genetic (replicare incorectă a ADN-ului) și structurală (fus mitotic malformat). Aceste sisteme sunt foarte importante pentru integritatea patrimoniului nostru genetic. Aceste puncte de control pot împiedica ciclul să avanseze dacă condițiile nu sunt îndeplinite și implică astfel celula în apoptoză (moarte celulară programată). Aceste puncte de control pot fi modificate și pot preveni orice reglare a ciclului celular. Într-adevăr, există un răspuns care este instantaneu și un altul care este întârziat. În toate cazurile, ambele răspunsuri sunt activate. Așa-numitul răspuns rapid funcționează cu fosforilările, în timp ce așa-numitul răspuns întârziat implică un factor de transcripție.