MITOSE

Construction et configuration spatiale du fuseau

Ces événements dépendent en grande partie des centres organisateurs de microtubules des cellules en mitose et des propriétés de la tubuline.

L'entrée d'une cellule en mitose est caractérisée, entre autres, par la réorganisation de son cytosquelette. Microtubules et filaments d'actine sont alors dépolymérisés, ce qui entraîne un changement de forme de la cellule qui devient sphérique. Les molécules de tubuline devenues disponibles sont utilisées pour former le fuseau bipolaire de division, cytosquelette spécifique de la cellule en mitose, dont la construction commence dès le début de la prophase. Les microtubules en sont le constituant le plus abondant. Ils sont indispensables au déroulement de la mitose qui s'arrête si leur polymérisation est inhibée par des drogues comme la colchicine ou la vinblastine par exemple (ces drogues sont des antimitotiques utilisés dans la thérapeutique du cancer).

Centres organisateurs de microtubules : initiation et orientation des microtubules fusoriaux

L'initiation de la polymérisation des microtubules du fuseau et leur orientation dépendent tout d'abord de la position et des interactions des centres organisateurs de microtubules des cellules en mitose. Bien individualisés du point de vue structural, ces centres initiateurs sont les amas de matériel amorphe situés aux pôles du fuseau (autour des paires de centrioles dans les cellules possédant ces organites) et les kinétochores différenciés dans la région du centromère des chromosomes dupliqués (fig. 6).

Le rôle de centre organisateur joué par ces structures est suggéré d'abord par des observations anatomiques : les microtubules polaires et astériens ont une de leurs extrémités ancrée dans le matériel amorphe polaire ; les microtubules kinétochoriens ont une de leurs extrémités attachée aux kinétochores.

Ce rôle est confirmé par des expériences réalisées in vivo et in vitro. In vivo, une irradiation par un fin rayon laser du matériel péricentriolaire de cellules de mammifères en prophase, lésant ce matériel à un pôle du fuseau, a pour conséquence de réduire considérablement le nombre de microtubules issus de ce pôle dans le demi-fuseau correspondant lorsque la mitose se poursuit. Une autre expérience consiste à traiter sur le vivant des cellules en mitose par une drogue, le nocodazole, qui inhibe la polymérisation de la tubuline et provoque une dépolymérisation rapide mais réversible des microtubules. Lorsque le traitement par le nocodazole est arrêté, des microtubules s'édifient rapidement à partir du matériel péricentriolaire et à partir des kinétochores.

In vitro, lorsque des complexes centriolaires sont isolés à partir de cellules animales en mitose et sont placés dans un milieu approprié contenant des molécules de tubuline, des microtubules se forment à partir du matériel péricentriolaire des complexes. De même, si des chromosomes métaphasiques, isolés de façon telle qu'aucun microtubule ne reste attaché à leurs kinétochores, sont ensuite placés dans un milieu contenant de la tubuline, des microtubules s'édifient à partir des kinétochores.

Polarité des microtubules fusoriaux

La polarité des microtubules détermine en partie leurs possibilités d'interactions et, par là même, leurs potentialités fonctionnelles (cf. motilité).

Les microtubules ont en effet une polarité : leurs deux extrémités n'ont pas la même configuration moléculaire. Cela résulte de l'asymétrie de la molécule de tubuline, qui comporte deux sous-unités différentes, α et β. Lorsque la tubuline polymérise pour former un microtubule, toutes les molécules sont orientées dans le même sens, selon l'axe du microtubule (fig. 11). Il en résulte que l'une de ses extrémités comporte des sous-unités α, alors que l'autre possède des sous-unités β.

In vitro, dans des conditions où il y a élongation des microtubules, celle-ci peut se faire par leurs deux extrémités. Dans ce cas, l'une des extrémités s'allonge plus rapidement que l'autre : on la désigne par extrémité + ; à l'opposé se trouve l'extrémité —, à élongation lente.

On montre que les microtubules fusoriaux ont tous la même polarité. Les microtubules polaires ont leur extrémité — dans la région polaire ; leur extrémité + est distale par rapport aux pôles, et elle est située dans la région équatoriale du fuseau où s'interpénètrent les deux familles de microtubules polaires issus de pôles opposés. L'élongation de ces microtubules en anaphase se fait par leur extrémité +.

Mouvements de la mitose

Un des plus anciens problèmes posés par la mitose est celui des mouvements des chromosomes : mouvements de la prophase et de la prémétaphase et, surtout, mouvements de l'anaphase.

Plusieurs interprétations sont données au sujet des mouvements de l' anaphase : mouvements des chromosomes vers les pôles du fuseau et éloignement de ces pôles accompagnant l'allongement du fuseau.

D'après la théorie de l'équilibre dynamique, l'équilibre qui existe entre les microtubules fusoriaux et les molécules libres de tubuline explique tous les mouvements de l'anaphase : la dépolymérisation des microtubules kinétochoriens, qui se produit lorsque les chromosomes se rapprochent des pôles, contrôle la vitesse du mouvement, fournit l'énergie nécessaire et libère des molécules de tubuline qui sont utilisées pour allonger les microtubules polaires, ce qui provoque l'allongement du fuseau et l'éloignement des pôles.

Il est improbable que l'équilibre dynamique soit responsable de l'ensemble de ces phénomènes où interviennent sans doute d'autres constituants du fuseau. Cependant, des expériences dans lesquelles la dépolymérisation des microtubules kinétochoriens est bloquée ou au contraire accélérée au cours de l'anaphase montrent que cette dépolymérisation contrôle la vitesse des mouvements des chromosomes vers les pôles. La dépolymérisation est elle-même contrôlée in vivo par le taux de calcium présent dans cette région du fuseau, taux régulé par la calmoduline. Quant à l'origine des forces qui provoquent les mouvements des chromosomes vers les pôles, celle-ci n'est pas clairement démontrée.

L'hypothèse selon laquelle un système actine-myosine intervient est improbable : dans des appareils mitotiques isolés d'œufs d'oursin en segmentation, les mouvements des chromosomes ne sont pas bloqués par des anticorps antimyosine.

Il est possible que ces mouvements résultent d'interactions entre microtubules kinétochoriens et filaments d'actine, se faisant dans les demi-fuseaux, par l'intermédiaire de protéines associées aux microtubules et à activité ATPasique : l'hydrolyse de l'ATP fournit alors l'énergie nécessaire au mouvement.

L'allongement du fuseau et l'éloignement des pôles qui interviennent dans la seconde partie de l'anaphase résultent de glissements les uns par rapport aux autres des microtubules polaires de polarités opposées dont les extrémités + s'interpénètrent à l'équateur du fuseau (f et g). Les ponts observés entre ces microtubules sont des protéines associées de type dynéine, à activité ATPasique. L'hydrolyse de l'ATP produit les forces nécessaires au glissement. Des inhibiteurs de l'activité ATPasique de la dynéine, protéine associée aux microtubules des cils et des flagelles, arrêtent en effet l'élongation anaphasique du fuseau dans des appareils mitotiques isolés.

Mouvements des chromosomes et allongement du fuseau impliquent probablement des mécanismes différents, car l'appareil mitotique est une structure éphémère, contrairement au muscle, aux cils et aux flagelles, dont la motilité est plus aisément étudiée. Ensuite, les forces nécessaires au mouvement des chromosomes sont faibles : l'hydrolyse de vingt molécules d'ATP fournit en moyenne une force suffisante pour déplacer un chromosome vers un pôle à une vitesse de 1 μm/minute.

Condensation des chromosomes mitotiques

Ce phénomène est en relation avec la phosphorylation de l' histone H₁.

L'entrée en mitose d'une cellule est caractérisée par la condensation de ses chromosomes. L'architecture moléculaire du chromosome métaphasique est étudiée par différentes méthodes, et des modèles sont proposés pour figurer la manière dont le nucléofilament est reployé pour réaliser cet état de condensation.

Lorsque la condensation des chromosomes mitotiques se produit, il y a phosphorylation de certaines histones, en particulier de l'histone H₁, qui comporte au moins de 6 à 7 sites de phosphorylation situés dans les régions basiques C et N terminales. Des interactions se produisent alors entre les molécules d'histones phosphorylées et provoquent des reploiements des chromosomes qui se condensent de ce fait. L'histone H₃ est aussi phosphorylée durant la mitose.

La phosphorylation des histones des chromosomes débute en fait dès la fin de la phase G2 de l'interphase.

Fragmentation et reconstitution de l'enveloppe nucléaire

Ces phénomènes sont en relation avec la dépolymérisation réversible des protéines de la lamina.

La lamina est la couche mince de nature protéique qui est accolée à la membrane nucléaire interne, du côté nucléoplasmique. L'analyse biochimique de la lamina montre qu'elle comporte majoritairement trois protéines, qui sont des phosphoprotéines. Ces protéines forment un édifice moléculaire qui s'associe à certaines régions des chromosomes et aux pores nucléaires dans le noyau interphasique intact.

Au cours de la mitose, les protéines de la lamina se séparent les unes des autres et sont à l'état de monomères lorsque l'enveloppe nucléaire se fragmente en vésicules à la prémétaphase. Deux de ces protéines sont alors à l'état soluble alors que la troisième reste associée aux vésicules provenant de la fragmentation.

Les trois protéines se réassocient pour former la lamina, en télophase, lorsque l'enveloppe nucléaire se reconstitue au contact des deux amas de chromosomes parvenus aux pôles du fuseau.

La dissociation réversible des protéines de la lamina est en relation avec leur degré de phosphorylation : à l'état dépolymérisé, ces protéines ont un degré de phosphorylation très supérieur à celui qui les caractérise lorsqu'elles forment l'édifice moléculaire organisé qu'est la lamina.

Déphosphorylation et phosphorylation réversibles des trois protéines de la lamina, entraînant leur dissociation ou leur assemblage en édifice organisé, sont des phénomènes biochimiques déterminant probablement la fragmentation de l'enveloppe nucléaire en prémétaphase et sa reconstruction en télophase. Le degré de phosphorylation de ces protéines est lui-même sous le contrôle de kinases, enzymes catalysant la phosphorylation de protéines.