La mitose, les chromosomes ; le caryotype humain
J. Lejeune
Mitose, Chromosomes, Caryotype humain, pp. 593-600.
Sommaire
La mitose
La multiplication des cellules vivantes est essentiellement caractérisée par une égale répartition du matériel nucléaire entre les deux cellules filles. Cette distribution des filaments chromosomiques est tellement importante qu'elle a fait appeler mitose (du grec mitos = filament) ce processus de division.
outes les cellules se divisent par mitose dans tous les organismes supérieurs, et les exemples d'amitoses ou de division cellulaire sans distribution évidente du matériel chromosomique doivent être tenus pour extrêmement douteux.
Classiquement, le processus dynamique de la mitose est divisé en quatre phases : la prophase, la métaphase, l'anaphase et la télophase.
On appelle interphase, le stade du noyau au repos, dans lequel les chromosomes ne sont pas visibles. On observe alors un fin réseau de chromatine dans lequel ni le microscope optique ni le microscope électronique ne peuvent habituellement déceler une structure filamenteuse. Il fout signaler cependant qu'il est possible par certains artifices de mettre en évidence dans la cellule vivante l'existence de chromosomes à l'interphase, démontrant ainsi la permanence de la structure chromosomique (changement de concentration saline du milieu par exemple).
Une exception doit être faire à cette absence de structure visible dans les noyaux interphasiques. Cher la femme, il existe en effet un corpuscule de 1 à 2 µ de long, le plus souvent situé le long de la membrane nucléaire, appelé corpuscule de Barr, du nom de son découvreur. On considère que ce corpuscule représente l'un des deux chromosomes X, extrêmement condensé. L'homme ne présente pas ce corpuscule dans les noyaux interphasiques.
I. - La prophase
La prophase est caractérisée par l'apparition progressive de filaments à l'intérieur du noyau. Ces filaments deviennent visibles du fait de la spiralisation progressive des chromatides, éléments constitutifs d'un chromosome. Dès ce stade, chaque chromosome est déjà clivé en deux chromatides, parallèles l'une à l'autre, mais cette séparation n'est décelable que sur des préparations de qualité exceptionnelle.
A ce stade, apparaissent les centrioles, petits corpuscules très réfringents, provenant de la division du centriole préexistant. Ces deux corpuscules se situent à des pôles apposés du noyau et sont unis par des filaments ne prenant pas la coloration habituelle. Ainsi se constitue le " fuseau ". Très apparent dans certaines espèces, ce système fusorial est d'observation difficile dans les cellules humaines. Le moment de disparition de la membrane nucléaire est assez mal connu chez l'homme, il semble qu'elle se produise à la fin de la prométaphase, expliquant ainsi la sensibilité de cette période au choc hypotonique.
II. - la métaphase
La condensation progressive des chromosomes s'étant poursuivie tout au long de la prophase et de la prométaphase, ce sont des sortes de bâtonnets trapus qui viennent se placer au milieu du noyau pour former la plaque équatoriale. A ce moment, les deux chromatides de chaque élément sont nettement séparées l'une de l'autre, mais sont reliées toutes deux au kinétochore ou centromère qui, lui, n'est pas encore clivé. C'est par le centromère que chaque élément s'accroche aux fibres fusoriales.
La disposition circulaire des chromosomes dans la plaque équatoriale conduit à deux aspects : vue par la tranche, la plaque se présente comme un amas de chromosomes serrés les uns contre les autres, vu par l'un des pôles, elle se présente comme un anneau constitué des éléments doubles, le centromère étant attaché vers l'intérieur de l'anneau et les bras étant plus ou moins rejetés vers l'extérieur. La durée de la métaphase est brève, de quelques minutes à un quart d'heure environ.
III. - L'anaphase
A l'anaphase, les centromètres se clivent et chaque chromatide est alors entrainée à l'un des pôles par son centromère.
Cette phase est relativement fort courte, de l'ordre d'une dizaine de minutes. Lorsque les deux lots chromosomiques sont rassemblés aux deux pôles de la cellule, le cytoplasme s'invagine latéralement au niveau de l'ancienne plaque équatoriale.
IV. - La télophase
La télophase est en quelque sorte l'inverse de la prophase. Les chromosomes se déspiralisent, la membrane nucléaire se réforme et les deux noyaux fils entrent en même temps dans la période interphasique.
Conclusions
Cet aperçu de la mécanique chromosomique lors de la mitose nous permet de tirer quelques conclusions générales. La première concerne le rythme de l'événement. Une première évidence est la synchronisation extrêmement précise de tous les changements pour tous les éléments du jeu chromosomique. Cette harmonie n'est que le reflet de la synchronisation des phénomènes biochimiques.
En effet, lors du début de la prophase, le noyau est le siège d'une synthèse d'acide désoxyribonucléique : A.D.N., le matériau vecteur de l'information héréditaire et cette synthèse se poursuit jusqu'à la métaphase. Si l'on fait débuter la prophase au moment où commence cette synthèse d'A.D.N., on peut considérer que dans des cellules en voie de division au rythme maximal, cette période dure, pour des cellules sanguines, quelques 16 à 20 heures. L'apparition de structures visibles en prophase cytologique se produit quelques heures (de 3 à 5) avant la métaphase. Au cours de cette prophase, la synthèse d'A.D.N. est presque terminée, mais se poursuit encore à rythme très ralenti.
Il est possible d'utiliser la fin de cette période de synthèse pour " marquer " les chromosomes avec de la thymidine tritiée, base pyrimidique qui ne s'incorpore que dans l'A.D.N.
On peut alors montrer que certains chromosomes incorporent encore la thymidine très tardivement. C'est le cas tout particulièrement de l'un des X de la femme, peut-être celui qui formait à l'interphase le corpuscule de Barr.
La synchronisation entre la mécanique chromosomique et la synthèse de l' A.D.N. a pour conséquence :
1) La répartition équitable du matériel héréditaire entre les deux cellules filles.
Chacune d'entre elles reçoit en effet un élément de chaque chromosome et se trouve ainsi présenter une garniture strictement identique à celle de la cellule mère.
2) Une identité génétique absolue du message héréditaire contenu dans chaque chromosome et, partant, une identité absolue de tout le génotype (ensemble des gènes portés par les différents chromosomes).
Il est à remarquer qu'au moment précis de la fin de la prophase, la cellule mère, non encore clivée, contient une quantité de matériel chromosomique et donc une quantité d'A.D.N. qui est exactement le double de la quantité d'A.D.N. de la cellule au repos.
Ceci explique :
3) La quantité d'A.D.N. contenue par les cellules filles est strictement identique à celle de la cellule initiale.
Au total, la mitose est le processus absolument général selon lequel une cellule double son propre matériel génétique, puis le clive exactement en deux pour transmettre à chacune des cellules filles un patrimoine génétique complet et strictement équivalent. En particulier, il n'y a pas de recombinaison génétique au cours de la mitose, contrairement à ce qui se passe dans la méiose.
Régulation de la mitose
Le mécanisme précis de la régulation de la mitose n'est pas connu bien que son importance soit fondamentale. C'est de cette régulation en effet que dépend le développement de l'embryon, ta croissance de l'individu, le maintien de l'homéostase cellulaire dans les tissus en continuel renouvellement (système médullo-sanguin ou peau) ou dans les processus de réparation (cicatrisation par exemple).
On connaît de nombreuses substances indispensables au déroulement de la mitose nais en dehors des auxines du règne végétal, on ne connaît pas de substance réellement spécifique chez les êtres supérieurs.
Par contre, de nombreux poisons de la mitose sont connus et couramment utilisés en médecine. On peut grosso modo classer ces substances en trois catégories :
1) Celles qui troublent la mécanique de la mitose : Les mitostatiques au les stathmokinétiques comme la colchicine qui interdisent l'anaphase.
2) Celles qui troublent la synthèse des constituants des chromosomes, essentiellement les antimétabolites analogues des bases puriques ou pyrimidiques et les substances intervenant dans leur métabolisme (antifoliques).
3) Celles qui provoquent des anomalies des chromosomes et de la mitose, telle les moutardes de l'azote et divers agents mutagènes.
Enfin certaines infections virales sont capables elles aussi de porter atteinte à l'intégrité des chromosomes.
Les chromosomes
Les filaments dont nous venons de décrire le doublement, le clivage et la ségrégation régulière, sont appelés chromosomes en raison de leur affinité pour les colorants (chromos - soma).
Leur structure fine a donné lieu à de très nombreux travaux, mais rien de définitif ne peut être actuellement affirmé.
On peut simplement dire que du point de vue morphologique les chromosomes, au stade élémentaire de chromatide, se composent d'un filament spiralé, probablement déjà enroulé selon un ou deux ordres de complexité et que les filaments prométaphasiques se contractent par une spiralisation tertiaire surajoutée aux deux précédentes.
Si l'on se souvient qu'à l'échelon moléculaire l'A.D.N. lui même est une longue spirale dextrogyre, on comprend la difficulté de proposer un modèle simple de cette structure.
Du point de vue chimique, on peut dire que les chromosomes sont constitués essentiellement de deux substances, l'A.D.N. et des protéines basiques appelées histones. Le pourcentage, en poids par exemple, de ces deux substances varie dans de larges proportions au cours du cycle mitotique. Les relations spatiales entre ces deux types de molécules sont mal précisées mais on peut imaginer que ces relations sont peut-être l'un des mécanismes de la régulation du fonctionnement des gènes.
Il existe enfin dans les chromosomes un second type d'acide nucléique, l'acide ribonucléique ou A.R.N. Il est certain qu'une fraction importante de l'A.R.N. est un produit d'activité directe des chromosomes, l'A.R.N. messager, moulé sur l'ADN, transportant l'information génétique au cytoplasme.
On ignore s'il existe un A.R.N. " de structure " dans les chromosomes des animaux supérieurs et de l'homme.
La structure génétique des chromosomes humains n'est pas connue avec précision, mais l'on peut raisonnablement attendre qu'elle corresponde à celle rencontrée chez les autres organismes.
A savoir: - Les gènes, qui déterminent chacun des caractères héréditaires, sont enchaînés dans un ordre linéaire défini.
- des gènes liés les uns aux autres forment des groupes de liaison dont le nombre, fixe lui aussi, est identique au nombre de paires chromosomiques de l'espèce.
Cette convergence de l'analyse génétique et de la cytologie est d'ailleurs topologiquement confirmée par l'étude des chromosomes polytènes.
Le caryotype humain
L'étude du caryotype humain n'a été rendue possible que par la mise au point de techniques particulières permettant d'examiner la garniture chromosomique de cellules entières et isolées les unes des autres. C'est grâce à la culture de tissu que Tijo et Levan en 1956 démontrèrent que notre espèce possédait 46 chromosomes.
Diverses méthodes d'études sont actuellement disponibles et l'examen caryotypique peut être réalisé sur un fragment de tissu (biopsie de peau ou d'un organe quelconque) ou même par culture de quelques gouttes de sang périphérique (microméthode).
Toutes les techniques doivent répondre à un impératif simple : les chromosomes doivent être à un stade favorable (prométaphase ou métaphase) et il est nécessaire qu'ils soient séparés les uns des autres et qu'ils soient tous répartis sur un même plan.
La phase favorable est obtenue en variant le mode de nourrissement des cellules ou en bloquant l'anaphase par des mitostatiques (colchicine par exemple).
Leur dispersion s'obtient par un choc hypotonique dont l'action est rendue plus efficace par la disparition de la membrane nucléaire. Enfin l'aplatissement est réalisé par un séchage des préparations à l'air libre, qui développe une très forte tension superficielle au moment de l'évaporation.
Tous les examens sont réalisés sur du matériel fixé. L'observation directe des cellules vivantes ne permet pas actuellement d'établir un caryotype.
On appelle caryotype l'ensemble des chromosomes dont la morphologie et le nombre sont caractéristiques d'une espèce.
Le caryotype est composé de deux génomes, l'un d'origine paternelle, l'autre d'origine maternelle. Ces deux génomes contiennent un élément de chacune des paires autosomiques (22) et l'un des éléments de la paire sexuelle qui comporte deux éléments l'X et l'Y, Au total, une cellule mâle contient 46 chromosomes, dont deux jeux de 22 autosomes, un X et un Y. Alors qu'une cellule femelle contient 46 chromosomes dans deux jeux de 22 autosomes plus deux X.
Lors de l'analyse du caryotype, on utilise la ressemblance morphologique qui existe entre les éléments homologues de chacune des paires pour comparer et associer deux à deux le chromosome d'origine paternelle et celui d'origine maternelle.
On répartit les chromosomes selon deux critères morphologiques : leur longueur : grands, moyens ou petits et la position de leur centromère : médian, discal au acrocentrique (Fig. 1), Ceci permet d'assigner avec certitude chaque élément à l'un des sept groupes ci-dessous, le diagnostic individuel de certains chromosomes restant très difficile.
La classification internationale de Denvers aboutit au schéma suivant :
A : groupe (1-3) - grands chromosomes à centromère presque médian. Les trois chromosomes se distinguent facilement par leur taille et par la position du centromère.
B : Groupe (4-5) - Grands chromosomes à centromère distal.
Ces deux chromosomes sont difficiles à distinguer mais le chromosome 4 est légèrement plus grand.
C : Groupe (6-12). - chromosomes de taille moyenne à centromère submédian. Le chromosome X ressemble aux plus longs chromosomes de ce groupe, spécialement au chromosome 6 dont il se distingue difficilement. Ce groupe important est celui qui présente les plus grandes difficultés d'identification des chromosomes individuels.
D: Groupe (13-15) - Chromosomes de taille moyenne à centromère presque terminal (chromosome acrocentrique). Le chromosome 13 a des satellites proéminents sur le bras court. Le chromosome 14 a de petits satellites. Le chromosome 15 n'en a pas (ou presque pas).
E : Groupe (16-18) - Chromosomes petits à centromère presque médian (chromosome 16) ou submédian.
F : Groupe (19-20) - Petits chromosomes à centromère quasimédian.
G : Groupe (21-22) - Très petits chromosomes acrocentriques. Le chromosome 21 posséda un satellite sur le bras court. Le chromosome Y ressemble à ces chromosomes.
D'après la classification de Londres, 1963, il est possible d'utiliser la lettre A, B, etc., correspondant à chaque groupe, pour simplifier l'écriture.
On remarque que les acrocentriques peuvent porter des satellites, en relation avec le nucléole.
Fig. 1 - Aspect des chromosomes
mitotiques humains.
Les anomalies du caryotype
On sait depuis 1959, avec la découverte de la trisomie 21 dans le mongolisme, qu'il existe des maladies constitutionnelles pouvant résulter d'une anomalie du caryotype.
Ces anomalies peuvent se produire soit à la méiose (lors de la fabrication des gamètes) soit lors de la première mitose qui suit la caryogamie, soit encore lors des premières mitoses blastomériques.
On peut essentiellement les classer en trois catégories :
1) Les anomalies de nombre qui peuvent parier sur les chromosomes sexuels : syndrome haplo X dit de Turner ou syndrome à trois, quatre ou même cinq X et syndromes correspondants chez l'homme réalisant des variantes du syndrome de Klinefelter XXY, XXXY, XXXXY, ou des syndromes plus complexes XXYY, XYY ou encore des mosaïques.
Dans les anomalies autosomiques, on connaît essentiellement trois types dans lesquels l'un des autosomes est en triple exemplaire, au lieu de deux normalement :
- la trisomie 21 du mongolisme.
- la trisomie 13.
- la trisomie 18.
2) Les anomalies de structure simples peuvent réaliser :
- soit des changements morphologiques, sans déséquilibre du matériel génétique. Ce sont les translocations balancées ;
- soit des excès de matériel génétique (trisomies par translocations) ;
- soit enfin des délétions dont le seul type actuellement bien défini est la délétion du bras court du 5 réalisant la maladie du " cri du chat ".
3) Des anomalies plus complexes sans aussi connues réalisant par exemple des éléments en anneau, instables, qui peuvent être éliminés au cours des mitoses somatiques et donner lieu à des monosomies partielles.
Enfin en dehors de son importance dans les maladies constitutionnelles, l'analyse du caryotype humain présente un très grand intérêt dans l'étude des processus néoplasiques et leucémiques. On connaît par exemple une délétion particulière d'un petit acrocentriques, le Ph1 caractéristique de la leucémie myéloïde chronique.
Pour finir, il est bon d'avoir présent à l'esprit la différence d'échelle entre les accidents dits géniques et les accidents décelables dans le caryotype humain. Les accidents géniques ou " mutations " qui correspondent à la majorité des maladies dites " héréditaires " qu'elles soient dominantes ou récessives, sont des " erreurs " à l'échelle moléculaire. Elles correspondent à une faute de copie dans le message héréditaire véhiculé par l'A.D.N., elles sont indécelables à l'échelle chromosomique.
Par contre, les anomalies du caryotype sont des accidents du support matériel des gènes, et portent sur des segments entiers du message héréditaire qui se trouvent alors en excès (trisomies) ou manquants (délétions) mais au cours desquels le message héréditaire lui-même n'est pas altéré. Pratiquement, on peut estimer qu'une anomalie décelable porte au moins sur quelques centaines ou quelques milliers de gènes d'un seul coup.
Les mutations géniques sont qualitatives, les anomalies du caryotype sont quantitatives.
N.B.- L'énoncé de la question n'implique nullement une discussion de la méiose dont la signification génétique est d'un autre ordre.