Le chromosome au cours du cycle cellulaire

Les chromosomes sont les porteurs de notre patrimoine génétique. Situés dans le noyau de la cellule, ils participent au cycle cellulaire nécessaire au renouvellement et à la réparation des tissus. L'établissement de la carte chromosomique d'un individu, ou caryotype, demande que l'on étudie les chromosomes dans la phase du cycle dans laquelle ils sont les plus facilement observables, on parle de chromosomes métaphasiques. L'étude du caryotype permet de mettre en évidence certaines anomalies génétiques.
1. Quelles sont la structure et l'ultrastructure d'un chromosome métaphasique ?
• Les chromosomes sont des structures permanentes du noyau des cellules, bien que n'étant pas toujours visibles. Ils existent sous deux états :
  • l'état filamenteux, lorsque la cellule n'est pas en division (interphase) ; le matériel chromosomique apparaît alors formé de nombreux filaments enchevêtrés (ou nucléofilaments) constituant la chromatine ;
  • l'état compact, pendant la division cellulaire ou mitose ; les filaments chromatiniens y atteignent leur condensation maximale, ce qui rend les chromosomes visibles : ce sont les chromosomes métaphasiques.
• Le chromosome métaphasique est constitué de deux chromatides-sœurs réunies en un point particulier, le centromère, dont la position définit les bras courts ou p et les bras longs ou q.
Les télomères sont les extrémités distales des chromosomes, ils interviennent dans la division cellulaire.
Le chromosome au cours du cycle cellulaire - illustration 1
• Chaque chromatide d'un chromosome contient un nucléofilament formé d'une molécule d'ADN associée à des protéines. Certaines d'entre elles, les histones, sont assemblées en un complexe autour duquel s'enroule l'ADN, appelé nucléosome. La structure adoptée par l'ensemble ressemble à un collier de perles (les nucléosomes) assez régulièrement espacées le long du filament d'ADN.
• La macromolécule d'ADN est un polynucléotide. Un nucléotide est une molécule complexe comportant trois éléments chimiques différents : une molécule d'acide phosphorique liée à une molécule de désoxyribose, elle-même associée à une base azotée. Les bases azotées sont au nombre de quatre : adénine, thymine, cytosine, guanine, d'où l'existence de quatre nucléotides différents.
• Les nucléotides sont répartis en deux chaînes torsadées, antiparallèles et complémentaires, associées entre elles par des liaisons hydrogène fragiles. Sur les deux brins complémentaires, l'adénine est exclusivement liée à la thymine et la cytosine à la guanine.
Le chromosome au cours du cycle cellulaire - illustration 2
• Cette molécule est porteuse d'une information génétique, car il existe une correspondance entre la succession des nucléotides de l'ADN du noyau et la succession des acides aminés d'une chaîne polypeptidique dans le cytoplasme.
• Chaque séquence de nucléotides codant pour un polypeptide constitue un gène. Chaque gène est donc caractérisé par une séquence de nucléotides qui lui est propre et par son emplacement, le locus, sur la molécule d'ADN.
• Une molécule d'ADN peut porter des milliers de gènes et l'ensemble des gènes d'un individu constitue son génome.
• Chaque gène est constitué d'une séquence de nucléotides. Il existe différentes variantes d'un même gène appelées allèles. Les différents allèles d'un même gène codent pour une même protéine, bien que leurs séquences nucléotidiques soient légèrement différentes.
• Chaque individu possède deux allèles (semblables ou différents) pour chaque gène, l'un d'origine paternelle et l'autre d'origine maternelle, qui constituent son génotype.
• Dans une espèce donnée, les individus diffèrent par la combinaison des allèles qu'ils possèdent à l'exception des vrais jumeaux (jumeaux monozygotes) qui possèdent la même combinaison d'allèles puisqu'ils possèdent le même génome. C'est pourquoi il est possible d'identifier les individus par l'étude de leur ADN.
2. Quelles sont les différentes étapes du cycle cellulaire ?
• Les cellules ont un fonctionnement cyclique nécessaire à la prolifération ou au renouvellement du tissu auxquelles elles appartiennent : un cycle aboutit à la division de la cellule-mère en deux cellules-filles. Au cours du cycle, l'ADN de la cellule-mère doit être copié avec une fiabilité maximale afin que les deux cellules-filles soient des clones parfaits, au cours d'un processus qu'on appelle la mitose.
• Chaque cellule est génétiquement programmée pour effectuer un nombre maximal de divisions. Lorsque ce nombre est atteint, la cellule échappe au cycle cellulaire classique et entre dans une phase qui aboutira à son autodestruction : c'est l'apoptose, ou suicide cellulaire.
• Au cours de sa vie, une cellule grandit puis se divise pour donner deux cellules filles qui lui sont identiques. On désigne sous le terme de cycle cellulaire les différentes étapes par lesquelles passe une cellule vivante entre deux divisions successives. Un cycle cellulaire comporte deux étapes : l'interphase et la mitose.
• L'interphase, pendant laquelle la cellule ne se divise pas, est constituée de trois périodes :
  • la phase G1, durant laquelle la cellule grandit ;
  • la phase S, durant laquelle la cellule se prépare à se diviser, en dupliquant son information génétique ;
  • la phase G2, caractérisée par une intense activité de synthèse protéique.
La mitose, pendant laquelle la cellule se divise, donne naissance à deux cellules-filles. La mitose est un phénomène continu dont la durée est variable selon les cellules (quelques heures en général). On la divise en quatre phases, correspondant à un comportement repérable des chromosomes, et semblables chez toutes les cellules eucaryotes : la prophase, la métaphase, l'anaphase et la télophase.
• On peut déduire l'entrée de la cellule dans les différents phases du cycle cellulaire en mesurant la quantité d'ADN présente dans le noyau : pendant la phase G1, le noyau possède 46 chromosomes à une chromatide, qui correspond à la quantité normale d'ADN notée Q. À la fin de la phase S, la reproduction de l'ADN est terminée, le noyau possède 46 chromosomes à deux chromatides reliées par un centromère, soit une quantité 2Q d'ADN.
• Pendant la mitose, cette quantité chute brusquement pour redevenir normale : les chromatides se séparent pour se répartir dans les deux cellules-filles, celles-ci possèdent donc chacune à la fin de la mitose 46 chromosomes à une chromatide, soit la quantité Q d'ADN.
Le chromosome au cours du cycle cellulaire - illustration 3
• Il existe un système de contrôle du cycle cellulaire, qui permet de faire passer la cellule en phase de mitose uniquement quand cela est nécessaire : fabrication, renouvellement ou réparation du tissu auquel elle appartient.
3. Comment les chromosomes évoluent-ils au cours d'un cycle cellulaire ?
• On peut relier l'évolution de la quantité d'ADN à l'évolution de l'aspect des chromosomes :
  • En phase G1 de l'interphase, les chromosomes ont l'aspect de chromatine filamenteuse. On dénombre un nucléofilament par chromosome.
  • En phase S, le doublement de la quantité d'ADN correspond au doublement du nombre des nucléofilaments qui les constituent. Chaque chromosome est alors constitué de deux nucléofilaments accolés en un point qui deviendra le centromère du chromosome.
  • Lors de la mitose, les chromosomes d'abord à deux chromatides se condensent et deviennent bien visibles. À l'anaphase, leur centromère se fissure et chaque chromatide, identique à son homologue, migre vers un pôle de la cellule et devient un chromosome à part entière (à une seule chromatide). La décondensation lors de la télophase assure un retour à l'état initial.
Le chromosome au cours du cycle cellulaire - illustration 4
4. Quel est l'intérêt de l'établissement d'un caryotype dans le diagnostic d'aberrations chromosomiques ?
• Les chromosomes sont facilement observables lors de la division cellulaire. On peut alors les classer en fonction de leur taille, de leur forme, de la position de leur centromère, de la place des bandes sombres qu'ils portent et construire ainsi un tableau permettant de les étudier. Ce tableau porte le nom de caryotype ordonné.
• L'établissement du caryotype humain se réalise dans les laboratoires de génétique cellulaire, à partir des lymphocytes ou de toute cellule capable de se diviser en culture. La technique consiste en :
  • Un blocage des divisions en métaphase (stade de la mitose où les chromosomes sont condensés au maximum et positionnés dans le plan équatorial de la cellule) par de la colchicine ; les chromosomes bien distincts peuvent alors être observés.
  • Un choc hypotonique : la cellule, placée dans un milieu extérieur plus dilué que le contenu cytoplasmique, éclate, et les chromosomes métaphasiques se dispersent et s'étalent.
  • Une coloration des chromosomes.
  • Une photographie au microscope des chromosomes de la cellule, puis un découpage et un classement de tous les chromosomes après agrandissement des clichés.
• Le caryotype humain normal comporte 46 chromosomes, organisés en 23 paires. On distingue 22 paires de chromosomes deux à deux identiques chez tous les individus, appelés autosomes, et une paire de gonosomes, ou chromosomes sexuels, présentant des caractéristiques différentes selon le sexe : ils sont notés XX chez la femme et XY chez l'homme.
• Chaque paire de chromosomes, composée des mêmes gènes, est constituée d'un chromosome d'origine maternelle et d'un chromosome d'origine paternelle. La cellule est dite diploïde et toutes les cellules somatiques possèdent ce même caryotype.
• Si n représente le nombre de paires de chromosomes, ici 2n = 46. Si l'individu est de sexe masculin, la formule chromosomique d'un individu s'écrit (46, XY), et pour le sexe féminin (46, XX).
Le chromosome au cours du cycle cellulaire - illustration 5
• Parfois, le caryotype révèle des anomalies dans le nombre des chromosomes ou dans leur structure :
Anomalies du nombre : elles portent le plus souvent sur un seul chromosome (on parle d'aneuploïdie ou aberration chromosomique). Elles se manifestent par exemple par excès d'un autosome et l'individu de formule chromosomique 2n + 1 est alors trisomique (exemple ci-dessous : trisomie 18, individu de formule chromosomique : (47, XY + 18)).
Le chromosome au cours du cycle cellulaire - illustration 6
• S'il y a défaut d'un chromosome, on parle de monosomie, et l'individu a pour formule chromosomique 2n ? 1. Ces anomalies peuvent concerner les autosomes ou les gonosomes (exemple : le syndrome de Turner, déficit d'un chromosome X, l'individu est (46, X0)). Elles peuvent être viables ou non. En cas de viabilité, l'individu qui en est porteur est atteint de dysfonctionnements parfois graves.
• Anomalies de structure des chromosomes : elles se manifestent par la modification de la constitution des chromosomes à la suite de cassures et de recollements. Ces anomalies peuvent concerner un seul ou plusieurs chromosomes et prendre différentes formes :
  • la délétion : c'est la perte d'un fragment de chromosome ;
  • la translocation : elle résulte du transfert d'un fragment du chromosome sur un autre chromosome et concerne donc au moins deux chromosomes ;
  • l'inversion : c'est le changement de la position d'un fragment de chromosome issu de deux cassures sur un même chromosome ; le fragment intermédiaire se soude sans qu'il y ait perte de matériel.
• On a pu mettre en évidence une relation entre ces modifications de structure des chromosomes et certaines pathologies (syndrome du « cri du chat », par exemple).
• Il existe de nombreuses indications pour la réalisation d'un caryotype :
En période anténatale :
  • lorsque l'âge de la femme est égal ou supérieur à 38 ans à la date du prélèvement ; le risque d'avoir un fœtus trisomique augmente fortement (avec l'âge maternel) et atteint 0,8 % à cet âge ;
  • quand un couple a déjà eu un enfant porteur d'une aberration chromosomique ; le risque de récidive pour chaque future grossesse se situe alors aux alentours de 1 % ;
  • en cas d'anomalie chromosomique parentale connue, comme une translocation ;
  • en cas de découverte d'une anomalie morphologique du fœtus à l'échographie.
Le caryotype fœtal est presque toujours pratiqué par amniocentèse vers 15-16 semaines d'aménorrhée.
En période néonatale : quand un nouveau-né présente des signes évocateurs d'une anomalie chromosomique connue ou non, devant un nouveau-né polymalformé, devant une mort périnatale inexpliquée, devant une ambiguïté sexuelle.
À retenir
• Les chromosomes sont constitués d'un ou plusieurs nucléofilaments de chromatine (ADN + protéines histones) en fonction de la phase du cycle cellulaire dans laquelle ils se trouvent.
• L'ADN est formé d'une succession de nucléotides ; un nucléotide est lui-même composé d'un désoxyribose, d'un phosphate et d'une base azotée.
• L'ADN porte le patrimoine génétique de l'individu, il est constitué d'un ensemble de gènes qui permettent la production de polypeptides indispensables à l'organisme.
• Le cycle cellulaire est composé de trois étapes au cours desquelles la cellule assure sa croissance et le renouvellement de ses constituants, puis se prépare à se diviser en deux cellules-filles identiques, pour enfin se diviser au cours de la quatrième étape, la mitose.
• Toutes les cellules humaines présentent un caryotype identique constitué de 22 paires d'autosomes et 1 paire de gonosomes. Une modification dans le nombre ou la structure des chromosomes peut être à l'origine d'une anomalie voire d'une pathologie. Un dépistage précoce dès la période anténatale par des examens appropriés permet de mettre en œuvre une attitude thérapeutique adaptée.
Quelle est la composition d'un chromosome métaphasique ?
Cochez la bonne réponse.
deux bras
deux chromatides
deux centromères
Un chromosome métaphasique contient deux chromatides reliées par un unique centromère. Le centromère marque la limite entre un bras court et un bras long sur chacune des deux chromatides.
Quelle est la particularité du centromère d'un chromosome métaphasique ?
Cochez la bonne réponse.
Il peut se trouver au niveau d'un télomère.
Il est toujours en position médiane.
Il n'est jamais décalé sur les chromatides.
Le centromère d'un chromosome métaphasique peut se trouver en n'importe quelle position le long des chromatides et en particulier être complètement décalé vers une extrémité des chromatides.
Combien de nucléofilaments un chromosome métaphasique contient-il ?
Cochez la bonne réponse.
1
2
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Chaque chromatide d'un chromosome contient un nucléofilament. Un chromosome métaphasique est constitué de deux chromatides, donc il contient deux nucléofilaments.
L'ADN est :
Cochez la bonne réponse.
le seul constituant du chromosome.
une macromolécule constituée d'un motif unique, le nucléotide.
le support de l'information génétique.
Dans un chromosome, on trouve de l'ADN et des protéines. Quatre types de nucléotides se succèdent le long de la molécule, qui est le support de l'information génétique.
Qu'est-ce qu'un gène ?
Cochez la bonne réponse.
une molécule d'ADN
une succession de nucléotides codant pour un polypeptide
l'ensemble des caractères portés par un individu.
Chaque molécule d'ADN porte des milliers de gènes qui codent chacun pour un polypeptide. Ces gènes sont constitués d'une succession de nucléotides.
Quelles sont les caractéristiques de l'interphase ?
Cochez la bonne réponse.
Elle comporte 3 étapes.
Elle correspond à la période de division d'une cellule.
C'est une étape de la vie cellulaire sans synthèse moléculaire.
L'interphase est la période de la vie cellulaire où la cellule ne se divise pas. Elle comporte 3 phases : G1, S, G2. Pendant l'interphase, la cellule grandit et réalise de nombreuses synthèses.
Quel est l'évolution de l'état des chromosomes au cours d'un cycle cellulaire ?
Cochez la bonne réponse.
Les chromosomes restent à l'état de chromatine filamenteuse.
Les chromosomes se décondensent avant la mitose.
Les chromosomes alternent entre un état à une chromatide et un état à deux chromatides.
Au cours d'un cycle cellulaire, les chromosomes alternent entre un état à une chromatide (début d'interphase et fin de mitose) et un état à deux chromatides (fin d'interphase et début de mitose). Ils alternent également entre un état filamenteux (interphase) et un état condensé (mitose).
Qu'obtient-on à la fin d'un cycle cellulaire ?
Cochez la bonne réponse.
deux cellules avec des chromosomes à un nucléofilament
deux cellules avec des chromosomes à deux nucléofilaments
une cellule avec des chromosomes à deux nucléofilaments
Le cycle cellulaire comprend une mitose qui permet de passer d'une cellule à deux cellules. Chaque nucléofilament d'un chromosome se réplique lors de la phase S de l'interphase et les deux nucléofilaments obtenus se séparent à l'anaphase. On obtient donc deux cellules avec des chromosomes à un nucléofilament.
Quelles sont les caractéristiques des chromosomes humains ?
Cochez la bonne réponse.
Ils ont des formes différentes selon les cellules.
Ils sont totalement différents chez l'homme et chez la femme.
Ils sont au nombre de 23 paires.
Les chromosomes d'un organisme humain sont au nombre de 23 paires. Toutes les cellules somatiques ont le même caryotype et la seule différence entre les cellules masculines et féminines porte sur la paire de chromosomes sexuels