La continuité de la vie d’une cellule à l’autre repose sur la reproduction des cellules par le cycle cellulaire. Le cycle cellulaire est une séquence ordonnée d’événements qui décrit les étapes de la vie d’une cellule, de la division d’une cellule mère à la production de deux nouvelles cellules filles. Les mécanismes impliqués dans le cycle cellulaire sont hautement régulés.

ADN génomique

Avant de discuter des étapes qu’une cellule doit entreprendre pour se répliquer, il est nécessaire de mieux comprendre la structure et la fonction des informations génétiques d’une cellule. L’ADN d’une cellule, présenté sous forme de molécule d’ADN double brin, est appelé son génome.
Chez les procaryotes, le génome est composé d'une molécule d'ADN simple brin double se présentant sous la forme d'une boucle ou d'un cercle (figure ci-dessous). La région de la cellule contenant ce matériel génétique s'appelle un nucléoïde. Certains procaryotes ont également de plus petites boucles d’ADN appelées plasmides qui ne sont pas indispensables à une croissance normale. Les bactéries peuvent échanger ces plasmides avec d'autres bactéries, recevant parfois de nouveaux gènes bénéfiques que le destinataire peut ajouter à leur ADN chromosomique. La résistance aux antibiotiques est un trait qui se propage souvent à travers une colonie bactérienne par échange plasmidique.

Les procaryotes, y compris les bactéries et les archées, possèdent un seul chromosome circulaire situé dans une région centrale appelée nucléoïde.

Chez les eucaryotes, le génome est constitué de plusieurs molécules d'ADN linéaires double brin (Figure précédente). Chaque espèce d’eucaryotes possède un nombre caractéristique de chromosomes dans le noyau de ses cellules. Les cellules du corps humain ont 46 chromosomes, tandis que les gamètes humains (spermatozoïdes ou ovules) en ont 23. Une cellule corporelle typique, ou cellule somatique, contient deux ensembles de chromosomes appariés, une configuration appelée diploïde. La lettre n est utilisée pour représenter un seul ensemble de chromosomes; par conséquent, un organisme diploïde est désigné 2n. Les cellules humaines contenant un ensemble de chromosomes sont appelées gamètes ou cellules sexuelles; ce sont des ovules et du sperme, et sont désignés par 1n ou haploïde.

Il existe 23 paires de chromosomes homologues dans une cellule somatique humaine féminine. Les chromosomes condensés sont visualisés à l'intérieur du noyau (en haut), retirés d'une cellule en mitose et étalés sur une diapositive (à droite), et disposés artificiellement selon la longueur (à gauche); un arrangement comme celui-ci s'appelle un caryotype. Sur cette image, les chromosomes ont été exposés à des colorants fluorescents afin de différencier les différents chromosomes. Une méthode de coloration appelée «peinture chromosomique» utilise des colorants fluorescents qui mettent en évidence les chromosomes de différentes couleurs. (crédit: National Human Genome Project / NIH)

Des paires de chromosomes appariées dans un organisme diploïde sont appelées chromosomes homologues («même connaissance»). Les chromosomes homologues ont la même longueur et possèdent des segments de nucléotide spécifiques, appelés gènes, situés exactement au même endroit ou au même locus. Les gènes, unités fonctionnelles des chromosomes, déterminent des caractéristiques spécifiques en codant pour des protéines spécifiques. Les traits sont les variations de ces caractéristiques. Par exemple, la couleur des cheveux est une caractéristique dont les traits sont blonds, bruns ou noirs.

Chaque copie d'une paire homologue de chromosomes provient d'un parent différent; par conséquent, les gènes eux-mêmes ne sont pas identiques. La variation des individus au sein d'une espèce est due à la combinaison spécifique des gènes hérités des deux parents. Même une séquence légèrement modifiée de nucléotides dans un gène peut entraîner un trait alternatif. Par exemple, il existe trois séquences de gènes possibles sur le chromosome humain codant pour le groupe sanguin: la séquence A, la séquence B et la séquence O. Toutes les cellules humaines diploïdes possèdent deux copies du chromosome qui détermine le type de sang, le groupe sanguin (le trait) est déterminé par lequel deux versions du gène marqueur sont héritées. Il est possible d’avoir deux copies de la même séquence de gène sur les deux chromosomes homologues, une sur chaque (par exemple, AA, BB ou OO), ou deux séquences différentes, telles que AB.

De légères variations de traits, telles que le groupe sanguin, la couleur des yeux et la précision des mains, contribuent aux variations naturelles observées au sein d'une espèce. Cependant, si l'on compare la séquence d'ADN entière de n'importe quelle paire de chromosomes homologues humains, la différence est inférieure à 1%. Les chromosomes sexuels, X et Y, constituent l'unique exception à la règle de l'uniformité des chromosomes homologues: outre une petite quantité d'homologie nécessaire pour produire des gamètes avec précision, les gènes présents sur les chromosomes X et Y sont différents.

Structure chromosomique eucaryote et compaction

Si l’ADN des 46 chromosomes d’un noyau cellulaire humain était disposé bout à bout, il mesurerait environ deux mètres; cependant, son diamètre ne serait que de 2 nm. Étant donné que la taille d’une cellule humaine typique est d’environ 10 µm (100 000 cellules alignées à un mètre de distance), l’ADN doit être emballé de manière étanche pour s’inscrire dans le noyau de la cellule. Dans le même temps, les gènes à exprimer doivent également être facilement accessibles. Au cours de certaines étapes du cycle cellulaire, les longs brins d’ADN sont condensés en chromosomes compacts. Les chromosomes sont compactés de différentes manières.

Au premier niveau de compactage, de courts segments de la double hélice de l'ADN enroulent un noyau de huit protéines histones à intervalles réguliers sur toute la longueur du chromosome (figure ci-dessous). Le complexe ADN-histone fait partie de la chromatine. Chaque complexe ADN histone ressemble à un nucléosome, et l’ADN reliant les nucléosomes est appelé ADN de liaison. Une molécule d'ADN sous cette forme est environ sept fois plus courte que la double hélice sans les histones et les billes ont un diamètre d'environ 10 nm, contrairement au diamètre de 2 nm d'une double hélice d'ADN. Le niveau suivant de compactage se produit lorsque les nucléosomes et l’ADN de liaison entre eux sont enroulés dans une fibre de chromatine de 30 nm. Cet enroulement raccourcit encore le chromosome de sorte qu'il est maintenant environ 50 fois plus court que la forme étendue. Dans le troisième niveau d'emballage, une variété de protéines fibreuses est utilisée pour emballer la chromatine. Ces protéines fibreuses garantissent également que chaque chromosome d'une cellule ne se divisant pas occupe une zone particulière du noyau qui ne chevauche pas celle de tout autre chromosome (voir l'image du haut dans la figure précédente).

L'ADN double brin s'enroule autour des protéines histones pour former des nucléosomes ayant l'apparence de «perles sur une chaîne». Les nucléosomes sont enroulés dans une fibre de chromatine de 30 nm. Lorsqu'une cellule est en mitose, les chromosomes se condensent encore plus.

L'ADN se réplique dans la phase S de l'interphase. Après la réplication, les chromosomes sont composés de deux chromatides soeurs liées. Lorsqu'elles sont totalement compactes, les paires de chromosomes à la masse identique sont liées l'une à l'autre par des protéines de la cohésine. La connexion entre les chromatides soeurs est la plus proche dans une région appelée le centromère. Les chromatides soeurs réunies, d'un diamètre d'environ 1 µm, sont visibles au microscope optique. La région centromérique est fortement condensée et apparaîtra donc comme une zone resserrée.

Source : Cell Division