17. Contrôle du cycle cellulaire PDF

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Contrôle du cycle cellulaire I.

LES DIFFÉRENTS POINTS DE CONTRÔLE DU CYCLE CELLULAIRE

La cellule pour que les divisions se passent de façon normales, dans un bon ordre, que l’ADN soit répliqué et que les étapes soit achevées avant le commencent d’une nouvelle étape, elle comporte une réseau complexe de protéines régulatrices constituant le système de contrôle du cycle cellulaire Elle comporte des freins moléculaires qui lui permette d’arrêter les processus du cycle cellulaire lorsque cela est nécessaire = point de contrôle Tous les eucaryotes utilisent la même machinerie et les mêmes mécanismes de contrôle pour activer et réguler les événements de leur cycle cellulaire Toutes les protéines intervenant dans la régulation sont extrêmement bien conservées au cours de l’évolution ce qui permet de réaliser des études sur des modèles différents Toutes les cellule eucaryotes utilisent la même machinerie et mécanisme de contrôle pour réguler les différents événements de leur cycle cellulaire car toutes les protéines qui interviennent dans ce cycle sont apparues il y a plus de 1 milliards d’années, elles permettent de réaliser des études qui sont à peu près valables pour la plupart des cellules eucaryotes Disparité importante en terme de durée de cycle comme par exemple pour les cellules embryonnaires (durée de 30 min) et les cellules hépatiques (durée de 1 an) Le système de régulation obéit à une régulation très précise comme par exemple la taille des cellules qui est rigoureusement contrôlée Il faut que les cellules en fin de mitose est acquis une taille suffisante. Après la division les 2 cellules sont généralement de taille inégale (1 cellule de taille plus petite que l’autre) il y aura donc un lapse de temps nécessaire à son grossissement pour pouvoir obtenir deux populations cellulaires homogènes in fine 2 fonctions essentielles : I. Maintien de l’ordre rigoureux des phases et le contrôle précis des phases de transition (G1/S, G2/M) qui dépend principalement des protéines CDK et des cyclines • Surveiller des mécanismes fondamentaux qui conditionnent la vie cellulaire , en particulier : • Qualité de l’ADN (pas lésions, pas cassures) le maintien du patrimoine génétique cellulaire, de l’exactitude de la réplication de l’ADN et de la prolifération cellulaire • L’achèvement de la réplication, la position des K • Patrimoine génétique intègre et de bonne qualité et que la réplication s'achève correctement 1

Cette surveillance est exécutée au niveau des points de contrôle Schéma : Au cours de la phase G1 la cellule est sensible à son environnement de part les signaux internes et externes, elle se pose comme question avant de rentrer dans la phase S si l'environnement lui est favorable (nutriments, taille etc … ) Avant la rentrée en mitose la cellule vérifie si tout son ADN est bien répliqué et si il est de bonne qualité (lésion rare) . Il y a donc un autre point de contrôle a ce niveau. Si tout est bon la cellule rentre en mitose puis il y a un autre contrôle qui est nécessaire pour savoir si les K sont attachés de façon correcte. Si pas ils ne sont pas attachés de manière correcte c'est qu'il y a eu une mauvaise séparation du matériel génétique

1. Le système de contrôle du cycle cellulaire A l’échelle cellulaire la régulation du cycle cellulaire dépend essentiellement de 2 familles de protéines : ▪ Cdk (cyclin-dependent-kinase) : plus précisément des sérine-thréonine kinases activées de façon cyclique lorsqu’elles sont liées à une cycline → activité qui est donc dépendante des cyclines. ▪ Cycline : protéines à concentrations variables au cours du cycle cellulaire, ne possédant pas d’activité enzymatique et se liant aux Cdk pour en réguler l’activité et vont avec d'autres molécules réguler l’activée kinase des Cdk a. Les cyclines Il y a 4 classes de molécules de cyclines mais toutes les cellules eucaryotes ont besoin de 3 classes : • Cycline G1/S activent les Cdk dans la phase G1 tardive et contribuent à déclencher la progression à partir du point de départ • Cycline S : lient les Cdk tout de suite après le point de départ et aident à stimuler la duplication des K • Cycline M : activent les Cdk qui stimulent l’entrée en mitose au point de contrôle G2/ M 2

Chaque phase présente des molécules de cyclines qui lui sont propres 4ème classe non forcément utilisées par les cellules eucaryotes : • Cycline G1 : aident au contrôle de l’activité des cyclines G1/ S Tableau Elles vont avoir une concentration qui va évoluer de façon cyclique C'est l'augmentation et la chute du taux des cyclines qui va contribuer a l'activité des Cdk On voit que l'activité de la cdk est concomitante au pic de concentration de la cycline . Cette augmentation de la concentration de cycline permet la formation du complexe cycline-cdk actif et l'entrée dans la phase M D'autre part, on aura des Cdk différentes qui vont s'associer à des cyclines différentes pour déclencher les différentes étapes du cycle cellulaire.

b. Les kinases dépendantes de l’activité d’une cycline ou Cdk Les kinases jouent un rôle dans le système de contrôle du cycle cellulaire, il y a deux types de contrôle : · Spécifique -- : Dans la progression de la cellule au cours du cycle et de cette facon elle permet le passage d’une phase à l’autre · Spécifique ++ : Dans certains événements du cycle cellulaire : compactage des chromosomes, fragmentation de l’EN … 3

Ce fonctionnement est régulé par 3 phénomènes : Liaison à une molécule de cycline possédant elle-même un cycle de synthèse (qui lui ⁃ correspond) ! cela permet l’évolution cyclique de sa concentration ⁃

Phosphorylation / déphosphorylation des kinases par des protéines : • kinases CAK (kinase activatrice de Cdk) • kinase Wee 1 (inhibitrice kinase sur la Cdk) • Famille des phosphates Cdc-25 (activatrices kinase)

⁃

La molécule de kinase pour être activée doit être phosphorylée sur 1 site et déphosphorylée sur 2 sites (= 2 déphosphorylations) pour avoir un complexe cycline Cdk actif

Au départ la molécule de cycline est associée à une kinase mais le complexe n’est pas actif, il faut qu’intervienne une kinase qui phosphorylera la molécule de kinase sur un site et 2 déphosphorylations par intervention d’une phosphatase pour activer complexe cycline CDk actif ⁃

Liaison à la kinase de protéines inhibitrices de Cdk : les Cki (protéines inhibitrices de kinases)

Schéma : p 125 Formation séquentielle des complexes cdk – cycline. Au cours de la phase G1 il y a d’abord des complexes cycline D- Cdk4 puis cycline D – Cdk6 et en fin de phase G1 : cycline E- Cdk2 Au cours de la phase S on a : cycline A-Cdk2 En phase G2 : cycline A – Cdk1 Puis en phase de mitose : cycline B – Cdk1 o o o o

Formation/expression séquentielle des cyclines Une même cycline peut interagir avec différentes Cdk Une même cdk peut être activée par différentes cycline Cyclines fréquemment surexprimées dans le cancer : tout ce qui dérègle le système de contrôle au niveau des points moléculaires entrainera les cellules dans des divisons cellulaires accrues dues à une surexpression de cyclines

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c. La régulation des Cdk i. Fonctionnement des CdK Phosphorylation ou déphosphorylation des Cdk par des protéines : • Kinase CAK : phosphorylation (oxydative) activatrices : position Thréonine 161 • Kinase Wee 1 : phosphorylation inhibitrice : Y 15 • Phosphatase Cdc 25 : déphosphorylation activatrice : T 14 – Y 15. il y a donc deux déphosphorylation par la phosphatase Cdc-25 sur la thréonine en position 14 et sur la tyrosine en position 15 Thréonine 161 : T 161 Thréonine 14 : T 14 Tyrosine 15 : Y 15 Triple phopshorylation = complexe cycline – Cdkn inactif Déphosphorylation de T14 et Y 15 = complexe cycline – Cdk actif ii. Inhibition des complexes Cdk/cyclines par les CKI Ce sont des kinases inhibitrices des cdk : CKI (cyclin – dependent kinase inhibitor) : regroupés en deux familles : · Famille p 16 (p16, p18, p19) : compétition avec les cyclines pour leur liaison aux cdk · Famille p21 (p21, p27, p57) : inactivent toutes les Cdk impliquées dans la progression du cycle cellulaire

Si mutation inactivatrices des CKI entrainent des cancers comme pour une mutation de p16 : mélanomes malins Des CKI peuvent arrêter la cycle au niveau de points de contrôle spécifique

2. Les différents systèmes de régulation des complexes cdk-cyclines

Activation des Cdk

Inhibition des Cdk

-Cdk- Cycline -Phosphorylation par CAK (cdk-activatingkinase) des Cdk -Déphosphorylation par des phosphatases cdc-25 (phophatase) des molécules Cdk

-Phosphorylation par Wee 1 (kinase inhibitrice) -Interaction avec les CKI (cyclin dependent kinase inhibiteur)

Le système de contrôle du cycle cellulaire dépend aussi d’une protéolyse Ex : initiation de la séparation de deux chromatides sœurs par le complexe APC/C = complexe de promotion de l’anaphase

II. LES DIFFÉRENTS POINTS DE CONTRÔLE DU CYCLE CELLULAIRE Les point de contrôle ont chacun un phase de transition : - G1/S - G2/M - Métaphase / Anaphase Ce sont des points de restrictions fondamentaux dans cette régulation.

1. Phase G1 et régulation du cycle cellulaire a. Généralités La phase G1 est une phase de synthèse au cours de laquelle la réplication de l’ADN ne se produit pas. Au cours de cette phase tout un ensemble de mécanisme contrôle la cellule et l’oriente soit vers un nouveau cycle soit vers l’arrêt du cycle en entrant en phase G0. Ces mécanismes ont donc un rôle essentiel dans la régulation du cycle cellulaire. 2 points de contrôles : - Le point de restriction - Point de contrôle tardif : G1/S La cellule contrôle son environnement, l’état des chromosomes et sa propre taille qui double avant la phase S 6

Environnement : détection de nutriments disponibles ou de signaux de prolifération (signaux mitogènes) provenant d’autres cellules ou de la MEC. Matériel génétique : état des chromosomes, vérification de l’absence de lésion laissée par le cycle cellulaire précédent.

Taille : expérience de microchirurugie sur 2 populations cellulaires d’amibes • 1ère population : cellules témoins dans des conditions favorables de divisions (nutriments, oxygène) elles se divisent donc normalement • 2ème population : population à laquelle on fait subir une microchirurgie au niveau du cytoplasme à intervalle de temps régulier, ce qui l’empêche d’avoir une taille de cytoplasme suffisante. Le cytoplasme n’ayant pas la taille nécessaire à la division la cellule n’entre pas en phase de M mais entre en apoptose.

b. Le point de restriction G1 / S : la régulation de la prolifération

Au point de restriction, les cellules évaluent les stimuli externes et internes qu’elles reçoivent pour décider ou non de s’engager dans un autre tour de réplication de l’ADN et de division cellulaire Avant le point de restriction la cellule poursuit le cycle uniquement si elles reçoivent des signaux extracellulaires favorables En revanche, lorsqu’elle passe le point de division (restriction) elle est quoiqu’il arrive engagée dans la division cellulaire Définition : point à partir duquel le cycle cellulaire continue, même si les facteurs mitogènes sont éliminés. Il régule l’expression des gènes nécessaires à la progression cellulaire Elle a la possibilité avant le point de restriction de revenir à l’état G0, appelé phase de quiescence mitotique ou de repos mitotique Il y a 2 types de phase G0 : ▪ G 0 : 1 : cellules ayant quitté le cycle en G1, sont bloquées en un état quiescent mais elles ont le potentiel de repasser en cycle (phase S) dans certaines conditions

▪ G0 : D : (d = différenciées ou fonctionnelles) : cellules ayant quittées le cycle en G1 et ayant perdu la capacité de se diviser par suite d’une spécialisation très poussée. ❖Mécanisme moléculaire de la phase G1 Activation des gènes codant pour les cyclines de la phase S (cycline E et A) à cheval sur les phases G1 et S Rôle du complexe cycline D/Cdk4 permet la progression de la cellule pendant la phase G1 Rôle de la protéine Rb (rétinoblastome) ou protéine de sensibilité au rétinoblastome : il s’agit d’une phosphoprotéine de 105 kDa, si elle est absente ou si il y mutation du gène codant Rb, on peut voir apparaitre un rétinoblastome chez l’enfant. Rôle du facteur de transcription essentiel E2F : Facteur de transcription du gène de la cycline E

❖ Mécanisme moléculaire de la phase S Activation des gènes codant pour les cyclines de la phase S (cycline E et A) Au départ il y a une phosphorylation activatrice du complexe cycline D/cdk4 par CAK (qui est une kinase activatrice). La phosphorylation de la protéine Rb qui libère E2F qui active les gènes codant pour les protéines de la phase S et en particuliers la cycline E Rq : la cellule d’un point de vue moléculaire passe le point de restriction au moment où la quantité de cycline D est suffisante ! Les cyclines ont une concentration qui évolue de façon cyclique Le complexe cycline E/Cdk2 comme le complexe cycline D/Cdk4, phosphoryle Rb. Cette nouvelle phosphorylation ajoutée à la précédente produit une protéine Rb phosphorylée. La transcription du gène de la cycline A est à son tour stimulée 8

❖ Propriétés des cellules en G0 : Absence de cycline : le facteur E2F qui active l’expression des gènes codant pour des cyclines est maintenu inactif par pRb : pas de phosphorylation inactivatrice de Rb qui peut donc exercer son action elle-même inhibitrice Les cellules assurent les fonctions imposées par leur différenciation Des facteurs de croissance, mitogènes ou autres stimuli d’origine extracellulaire peuvent déclencher le retour du cycle cellulaire Les facteurs de croissance : La multiplication cellulaire peut être déclenchée par de très nombreuses molécules, comme des facteurs de croissance •

EGF : facteur de croissance des cellules épithéliales. Il se fixe sur un récepteur membranaire EGF-R (epithelial growth factor ou récepteur du facteur de croissance épithélial)

•

PDFG : facteur de croissance de l’endothélium vasculaire, d’origine plaquettaire. C’est une substance mitogène des cellules endothéliales, il agit aussi sur la multiplication des fibroblastes et les fibres musculaires

•

NGF : facteur de croissance nerveux. Il contrôle la croissance des neurones

•

FGF : rôle dans la croissance des fibroblastes et des cellules endothéliales et des myoblastes

Retour d’une cellule en G0 dans le cycle cellulaire : au départ on trouve le facteur de croissance qui se fixe sur son récepteur spécifique au niveau de la membrane plasmique, induisant un cascade de signalisation intracellulaire pour permettre l’activation : - de la GTPase Ras - induisant l’activation d’une MAP kinase qui au final permet l’activation du gène myc (= puissant promoteur de la prolifération cellulaire impliquant dans un certain nombre de processus cancérigènes lorsqu’il est muté - myc se fixe sur le promoteur du gène de la cycline D et déclenche sa transcription - La phosphorylation de Rb par les complexes cycline D/Cdk4 libère E2F (facteur de transcription) qui code pour différentes cyclines - Elévation rapide de l’expression et de l’activité d’E2F et de cycline

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❖ Point de restriction et cancer De nombreux types de cancer sont dus à une mauvaise régulation de la croissance cellulaire lors des phases G1 et G2 Tout ce qui touche à la régulation du cycle est à l’origine de la plupart des cancers, disrégulation au niveau de la croissance cellulaire Le dysfonctionnement du point de restriction est un facteur fréquent de la transformation : • Mutation d’un ou de plusieurs composants du système p16-cycline D/Cdk4/Rb dans la plupart des cancers chez l’homme (p 16 = Cki) Détails des conséquences de la mutation protéine Rb : La protéine a une action anti-proliférative, dans le cas où elle lie le facteur E2F elle exerce son effet sur le facteur d’élongation E2F ! la cellule ne se divise pas Si la cellule rentre dans un processus de division cellulaire, Rb est phosphorylée ce qui lève l’effet inhibiteur sur le facteur E2F ! la cellule entre dans le cycle de division et Rb est inactive Dans le processus cancérigène, Rb est mutée donc ne peut pas exercer son effet antiproliférateur ! la cellule prolifère de façon non contrôlée (hyper-prolifération sans contrôle)

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❖ Point de restriction et infection virale De nombreux virus sont responsables de cancer en particulier le virus SV40 ou virus simien 40 et adénovirus : ils fabriquent des protéines qui facilitent la transition G1 ! S en liant pRb et en libérant E2F

c. Le pont de contrôle G1 / S Il intervient tardivement dans la phase G1 il a pour objectif d’analyser l’ADN avant d’entrer dans la phase S de réplication de l’ADN → l’ADN doit être intègre Surveillance de l’intégrité de l’ADN cellulaire par un point de contrôle tardif en g1 i. Molécules impliquées Kinase ATM : Ataxie télangectasie Mutée Kinase Chk2 : Protéine kinase du point de contrôle Cdc-25 : famille de phosphatases de la déphosphorylation de Cdk1, 2, 4 et 6 (sur les 2 sites de déphosphorylation) p-53 : o Régulateur de la prolifération de la plupart des types cellulaires o Il s’agit d’un facteur de transcription de l’ADN qui active des gènes impliqués dans le déclenchement de l’apoptose ou dans l’arrêt du cycle cellulaire o Si l’ADN est endommagé : la protéine p-53 s’accumule o Mutation du gène codant pour p-53 prédisposent aux cancers du seins et du poumons ++ o Son inhibition est à l’origine d’une prolifération cellulaire → plus de contrôle

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ii.

Contrôle de la qualité de l’ADN

Surveillance de l'intégrité de l’ADN CR par un point de contrôle tardif en G1 Si anomalie au niveau de l'ADN la kinase ATM va phosphoryler la kinase Cdk2 qui va elle même phosphoryler la kinase cdc25 qui se retrouve inactivé/ dégradé par des protéases donc elle ne pourra plus activer les kinases (Cdk1 et 2 liés à la cycline A et E respectivement ) La kinase ATM activé va phosphoryler la protéine p 53 – synthèse et accumulation de p53 (processus apoptose et arrêt de croissance cellulaire) Il existe des contrôles de l’ADN tout au long du cycle Les voies de régulation sont activées par une altération de l’ADN

d. Phase S et réplication de l’ADN Au cours de cette phase il n’y a pas de point précis pour la surveillance de l’exécution :elle s’effectue pendant les phases S et G2. Si une anomalie est détectée, le cycle est interrompu et la transition G2/M n’est pas réalisée La quantité d’ADN double au cours de cette phase Les corrections se font sur des protéines synthétisées : elles produisent pendant cette phase, en même temps que la réplication

2. Le point G2/M a. Le point de contrôle G2 Il arrive à la fin de la phase G2 juste avant l’entrée en M La cellule contrôle à ce stade, le degré d’avancement de la réplication de son ADN. Si la réplication n’est pas achevée ou si l’ADN est endommagé (rupture des brins d’ADN), Elle intervient pour bloquer l’activité des cyclines A/Cdk 1 et B/Cdk 1 12

Il fait intervenir 3 sortes de composantes : o des détecteurs : détectent/repèrent des lésions de l’ADN et se retrouvent activés o des kinases : les détecteurs activent eux-mêmes des kinases spécifiques qui transmettront l’information à des molécules effectrices o des effecteurs : bloquent la progression dans le cycle cellulaire de façon directe ou indirecte (déroulement du cycle) ❖ Point de contrôle et cancer Les défauts du point de contrôle en G2 sont associés au cancer Ex : le lymphome de Burkitt = cancer des lymphocytes Dans cette pathologie il y translocation de c-myc du chromosome 8 au chromosome 14 dans une région où se situent les gènes codants les chaînes lourds des anticorps (immunoglobulines) Chez les patient on trouve un taux anormalement " d’immunoglobulines et une expression anormale de c-myc : puissant promoteur de la prolifération cellulaire Il n’y pas de point de contrôle qui arrête la progression dans le cycle car il est altéré

b. Le point de contrôle de la mitose M L’entrée en...