Copier sans se tromper : réplication de l'ADN, cycle cellulaire et mitose

Il y a dix jours, tu t'es écorché le genou ; aujourd'hui, la plaie s'est refermée. Pour la combler, tes cellules de peau se sont divisées encore et encore, chacune recevant les 46 chromosomes de sa cellule mère. Comment recopier plus de 6 milliards de paires de nucléotides puis les partager sans rien perdre ?

Le caryotype, une signature à conserver

Le caryotype est la photographie des chromosomes d'une cellule, rangés par paires et par taille. Chez l'être humain, il compte 2n = 46 chromosomes : 22 paires d'autosomes et une paire de chromosomes sexuels (XX ou XY). Les deux chromosomes d'une paire, l'un paternel, l'autre maternel, sont dits homologues. Ce nombre, caractéristique de l'espèce, est le même dans presque toutes les cellules d'un individu (les gamètes n'en ont que la moitié). Pour le conserver, chaque division doit copier puis partager.

Le cycle cellulaire : grandir, copier, partager

Le cycle cellulaire alterne :

• l'interphase : G1 (la cellule grandit et fonctionne), S (l'ADN est répliqué), G2 (préparation de la division) ;
• la phase M : la mitose, puis la cytodiérèse, le partage du cytoplasme.

Pour une cellule humaine en culture, il dure environ 24 h : à peu près 11 h de G1, 8 h de S, 4 h de G2 et 1 h de mitose.

La quantité d'ADN (Q en G1) monte jusqu'à 2Q pendant la phase S, reste à 2Q en G2, puis retombe à Q dans chaque cellule fille. Piège classique : le nombre de chromosomes ne change pas en phase S. En G1, chaque chromosome est une seule molécule d'ADN, une chromatide ; après la phase S, il compte deux chromatides sœurs identiques, reliées par le centromère. Une cellule humaine en G2 a donc 46 chromosomes, mais 92 chromatides.

La réplication : une copie semi-conservative

L'ADN est une double hélice de deux brins complémentaires (A face à T, G face à C). En phase S, les brins se séparent localement, à partir d'origines de réplication. Chaque brin ancien sert de matrice : l'ADN polymérase assemble en face un brin neuf, complémentaire. Chaque molécule fille contient un brin ancien et un brin neuf : la réplication est semi-conservative.

Exemple 1 : la preuve de Meselson et Stahl (1958). Des bactéries cultivées sur azote lourd (¹⁵N), qui s'incorpore à leur ADN, sont transférées sur azote léger (¹⁴N) ; une centrifugation sépare ensuite les ADN selon leur densité.

• Génération 0 : une bande lourde.
• Génération 1 : une seule bande intermédiaire (molécules hybrides : un brin lourd, un brin léger). Le modèle conservatif prévoyait deux bandes, lourde et légère : il est éliminé.
• Génération 2 : moitié intermédiaire, moitié légère. Le modèle dispersif (brins en mosaïque) prévoyait une bande unique : éliminé à son tour.

Exemple 2 : pourquoi tant d'origines ? Chez l'humain, une fourche de réplication progresse d'environ 50 nucléotides par seconde. Le chromosome 1 compte environ 249 millions de paires de nucléotides. Avec une seule origine (deux fourches : 100 nucléotides par seconde), il faudrait 249 000 000 ÷ 100 ≈ 2,5 millions de secondes : près de 29 jours ! Or la phase S dure environ 8 h : le génome compte en fait des dizaines de milliers d'origines, actives au fil de la phase S et visibles au microscope électronique (« yeux de réplication »).

La mitose : partager équitablement

On l'observe dans une racine d'oignon colorée :

1. Prophase : les chromosomes se condensent, l'enveloppe du noyau disparaît, le fuseau de division (des microtubules) se forme.
2. Métaphase : les chromosomes, très condensés, s'alignent sur le plan équatorial : c'est là qu'on photographie un caryotype.
3. Anaphase : les centromères se séparent ; les chromatides sœurs migrent vers des pôles opposés.
4. Télophase : les chromosomes se décondensent, deux enveloppes nucléaires se reforment ; la cytodiérèse sépare les deux cellules filles.

Exemple 3 : compter juste. En métaphase, une cellule humaine contient 46 chromosomes à deux chromatides (92 chromatides, 2Q d'ADN). En anaphase, elle contient un instant 92 chromosomes à une chromatide, 46 par pôle. Chaque cellule fille reçoit donc 46 chromosomes et Q d'ADN : le caryotype de la cellule mère.

Les chromatides sœurs étant des copies conformes, les cellules filles sont génétiquement identiques à la cellule mère, aux rares erreurs de copie près : les mutations.

À retenir

• Le caryotype humain compte 2n = 46 chromosomes (22 paires d'autosomes + XX ou XY) ; la mitose le conserve.
• Le cycle cellulaire alterne interphase (G1, S, G2) et phase M ; la quantité d'ADN passe de Q à 2Q en phase S.
• La réplication est semi-conservative : chaque molécule fille garde un brin ancien, qui a servi de matrice, et un brin neuf (Meselson et Stahl, 1958).
• Les deux chromatides sœurs de chaque chromosome se séparent en anaphase : chaque cellule fille reçoit une copie de chaque chromosome.

★ Pour aller plus loin

En 1951, des cellules cancéreuses ont été prélevées, sans son consentement, chez une patiente américaine, Henrietta Lacks. Ces cellules « HeLa » se divisent encore dans des laboratoires du monde entier ; elles ont servi à tester le vaccin contre la poliomyélite.

À l'inverse, Leonard Hayflick a montré en 1961 que des cellules humaines ordinaires s'arrêtent après une cinquantaine de divisions. On sait depuis qu'une des causes est le raccourcissement des télomères, extrémités des chromosomes, à chaque réplication. Pour réaliser un caryotype, on bloque les cellules en métaphase avec de la colchicine, tirée d'une fleur toxique, le colchique : elle empêche la formation du fuseau.

Sources pour creuser

• Rebecca Skloot, La Vie immortelle d'Henrietta Lacks : l'histoire des cellules HeLa.
• James D. Watson, La Double Hélice : la découverte de la structure de l'ADN.
• Chaîne YouTube Les Bons Profs : cherche « mitose » et « réplication de l'ADN ».
• Chaîne YouTube DirtyBiology (Léo Grasset) : la biologie racontée avec humour.
• lumni.fr et planet-vie.ens.fr.