La mitose : phases, rôle et différences avec la méiose en prépa

Ce que recouvre exactement le mot mitose

Une division qui conserve l'information génétique

Le mot mitose vient du grec mitos, qui désigne le fil. Les premiers observateurs voyaient apparaître dans le noyau des structures filamenteuses, qui sont les chromosomes condensés.

La mitose est une division équationnelle : chaque cellule fille reçoit une copie complète du génome de la cellule mère. Chez un organisme pluricellulaire, elle assure la croissance, le renouvellement des tissus et la réparation des lésions. Les zones de forte prolifération sont les méristèmes chez les végétaux, et chez les animaux l'épithélium intestinal, l'épiderme et la moelle osseuse.

Mitose et division cellulaire ne sont pas synonymes

C'est une confusion fréquente en début de première année. La mitose désigne au sens strict la division du noyau, soit la caryocinèse. La séparation des deux cytoplasmes porte un autre nom, la cytodiérèse.

La division cellulaire complète associe donc deux événements. La mitose répartit les chromosomes, la cytodiérèse coupe la cellule en deux. Les deux sont couplés dans la plupart des cellules, mais pas toujours.

La place de la mitose dans le cycle cellulaire

Le cycle cellulaire et ses deux grandes parties

Le cycle cellulaire est l'ensemble des événements qui séparent la naissance d'une cellule de sa propre division. Il se décompose en deux parties très inégales : l'interphase occupe la grande majorité du temps, la mitose occupe le reste.

L'interphase n'est pas une phase de repos, contrairement à ce que son nom suggère. La cellule y transcrit, traduit, croît et duplique son matériel.

Les trois phases de l'interphase : G1, S et G2

L'interphase se subdivise en trois phases successives. La phase G1, pour gap 1, suit immédiatement la division précédente. La cellule y augmente de volume et synthétise des protéines. Sa durée est la plus variable du cycle.

La phase S, pour synthèse, est celle de la réplication de l'ADN. Chaque molécule d'ADN y est copiée une fois et une seule. La phase G2, pour gap 2, suit la réplication et prépare la mitose.

En G2, la cellule achève sa croissance et vérifie l'intégrité de son ADN répliqué. Une cellule qui quitte le cycle entre dans un état appelé G0, ou quiescence. Pour une cellule somatique humaine en culture, un cycle complet est souvent donné autour de 24 heures, dont environ une heure de mitose : ce sont des ordres de grandeur, pas des constantes.

La phase S, la réplication et la notion de chromatide

La réplication de l'ADN est semi-conservative. Chaque brin de la double hélice sert de matrice à la synthèse d'un brin complémentaire. Le résultat est deux molécules identiques, chacune formée d'un brin ancien et d'un brin néoformé.

À l'échelle du chromosome, cela se lit autrement. Avant la phase S, un chromosome est constitué d'une seule molécule d'ADN, donc d'une seule chromatide. Après la phase S, il en porte deux, identiques : ce sont les chromatides sœurs.

Ces deux chromatides restent associées au niveau du centromère jusqu'à l'anaphase. Cette association est assurée par un complexe protéique, la cohésine.

Suivre la quantité d'ADN par cellule au cours d'un cycle complet

Exemple entièrement résolu sur une cellule somatique humaine

C'est le développement le plus demandé sur ce chapitre. Il demande de distinguer trois grandeurs souvent confondues : la quantité d'ADN par cellule, le nombre de chromosomes et le nombre de chromatides.

Prenons une cellule somatique humaine. Son caryotype s'écrit ainsi.

2n = 46

Ici, n est le nombre de chromosomes d'un lot haploïde, soit 23 chez l'être humain, et 2n le nombre total de chromosomes de la cellule diploïde, sans unité.

Notons Q la quantité d'ADN par cellule. Posons la valeur en début de G1.

Q(G1) = 2 u.a.

Q est la masse d'ADN nucléaire contenue dans une cellule, et u.a. signifie unité arbitraire, choisie ici pour que la cellule après division vaille 2.

Étape 1. En phase G1, la quantité d'ADN ne change pas. Q reste à 2 u.a., avec 46 chromosomes et 46 chromatides, soit une chromatide par chromosome.

Étape 2. En phase S, chaque molécule d'ADN est répliquée, donc la quantité d'ADN double progressivement.

Q(fin S) = 2 × Q(G1) = 4 u.a.

Le facteur 2 traduit la duplication de chaque molécule d'ADN, et Q(fin S) est la quantité d'ADN par cellule à la fin de la réplication, en u.a.

Attention au nombre de chromosomes à ce stade : il reste à 46. Les deux chromatides sœurs restent solidaires du même centromère, donc elles comptent pour un seul chromosome.

nombre de chromatides (fin S) = 2 × 46 = 92

Le facteur 2 est le nombre de chromatides par chromosome après réplication, et 46 le nombre de chromosomes de la cellule.

Étape 3. En phase G2, puis en prophase et en métaphase, rien ne change quantitativement. Q vaut 4 u.a., avec 46 chromosomes et 92 chromatides.

Étape 4. En anaphase, les chromatides sœurs se séparent et chacune devient un chromosome indépendant. Dans la cellule encore unique, on compte alors 92 chromosomes, pour une quantité d'ADN toujours égale à 4 u.a.

Étape 5. À l'issue de la télophase et de la cytodiérèse, la quantité d'ADN se répartit entre les deux cellules filles.

Q(fille) = 4 ÷ 2 = 2 u.a.

Q(fille) est la quantité d'ADN par cellule fille en u.a., et le diviseur 2 est le nombre de cellules filles produites.

Chaque cellule fille contient 46 chromosomes à une chromatide. La situation de départ est reconstituée, et le cycle peut recommencer.

Le graphique décrit en mots

Place le temps en abscisse, sur un cycle complet, et la quantité d'ADN par cellule en ordonnée. La courbe part d'un plateau horizontal à 2 u.a. pendant toute la phase G1.

Pendant la phase S, elle monte de façon progressive et à peu près linéaire, car la réplication s'étale sur plusieurs heures. Un second plateau horizontal, à 4 u.a., couvre ensuite G2, la prophase, la métaphase et l'anaphase.

La chute se produit à la cytodiérèse, verticale à cette échelle de temps, et la courbe revient à 2 u.a. Retiens la forme générale : plateau, rampe, plateau, chute verticale. Une erreur classique consiste à faire chuter la courbe dès l'anaphase, ce qui est faux pour une cellule unique.

Les quatre phases de la mitose

Prophase

La chromatine se condense fortement et les chromosomes deviennent visibles au microscope optique. Cette condensation implique des complexes protéiques appelés condensines. Le nucléole disparaît et la transcription cesse largement.

Le centrosome, déjà dupliqué, se sépare en deux centrosomes fils qui migrent vers les pôles opposés, et le fuseau mitotique s'organise entre eux. En fin de prophase, l'enveloppe nucléaire se fragmente chez les eucaryotes à mitose ouverte. Certains auteurs isolent cette étape sous le nom de prométaphase. Les microtubules y capturent les chromosomes par leurs kinétochores.

Métaphase

Les chromosomes sont alignés dans un plan équatorial, perpendiculaire à l'axe du fuseau. L'ensemble forme la plaque équatoriale, parfois appelée plaque métaphasique.

Chaque chromosome est alors tiré par les deux pôles. Les kinétochores des deux chromatides sœurs sont attachés à des microtubules provenant de pôles opposés. Cette attache bipolaire est la condition de la suite.

La métaphase est le stade où l'on observe le mieux les chromosomes. Les caryotypes sont donc réalisés sur des cellules bloquées en métaphase, par des agents qui déstabilisent les microtubules.

Anaphase

L'anaphase commence par le clivage de la cohésine qui liait les chromatides sœurs. Les deux chromatides se séparent brutalement. Chacune migre vers le pôle auquel son kinétochore est relié.

Cette migration combine deux mécanismes. Les microtubules kinétochoriens raccourcissent et tirent les chromosomes vers les pôles. Les microtubules polaires glissent les uns sur les autres et éloignent les deux pôles.

L'anaphase est l'étape décisive pour la fidélité de la division. Une chromatide mal répartie produit une cellule fille avec un chromosome en trop et l'autre avec un chromosome en moins. On parle alors d'aneuploïdie.

Télophase

Les lots de chromosomes atteignent les pôles. Les chromosomes se décondensent et redeviennent de la chromatine diffuse, tandis que le fuseau mitotique se dépolymérise.

Une enveloppe nucléaire se reforme autour de chaque lot, à partir de fragments de l'ancienne et du réticulum endoplasmique. Le nucléole réapparaît et la transcription reprend.

À la fin de la télophase, il existe deux noyaux dans un cytoplasme encore commun. La mitose au sens strict est terminée, et la cytodiérèse achève la séparation.

Le fuseau mitotique et la cytodiérèse

Le centrosome, centre organisateur chez l'animal

Dans une cellule animale, le centrosome est le principal centre organisateur des microtubules. Il est constitué de deux centrioles perpendiculaires entourés d'une matrice protéique. Cette matrice contient de la tubuline γ, qui amorce la polymérisation.

Le centrosome se duplique une fois par cycle, en phase S et en G2, et ses deux copies deviennent les pôles du fuseau. Chez les végétaux supérieurs, le centrosome est absent et le fuseau s'organise sans centriole.

Les microtubules et leurs trois populations

Les microtubules sont des polymères creux d'hétérodimères de tubuline α et de tubuline β. Leur longueur varie par ajout ou retrait de sous-unités, et cette instabilité dynamique rend le fuseau capable de se réorganiser vite.

On distingue trois populations. Les microtubules kinétochoriens relient un pôle au kinétochore d'un chromosome. Les polaires chevauchent ceux du pôle opposé, et les astériens rayonnent vers la membrane et positionnent le fuseau. Des moteurs moléculaires, dynéines et kinésines, exploitent ces rails grâce à l'hydrolyse de l'ATP.

La cytodiérèse de la cellule animale

Chez l'animal, la cytodiérèse procède par étranglement. Un anneau contractile de filaments d'actine et de myosine II se forme sous la membrane plasmique, dans le plan équatorial. Sa contraction crée un sillon de division, qui se creuse jusqu'à pincer la cellule en deux. La séparation finale des deux membranes porte le nom d'abscission.

La cytodiérèse de la cellule végétale

Chez la cellule végétale, la paroi pecto-cellulosique interdit l'étranglement. La séparation se fait donc par construction. Une nouvelle paroi est édifiée de l'intérieur vers l'extérieur.

Des vésicules issues de l'appareil de Golgi convergent vers le plan équatorial, guidées par une structure de microtubules appelée phragmoplaste. Leur fusion forme la plaque cellulaire, qui s'étend jusqu'aux parois latérales. Cette plaque devient la nouvelle lamelle moyenne, puis la nouvelle paroi, traversée par des plasmodesmes.

Cette différence est un classique de question de cours. Elle se formule en une phrase : étranglement par anneau d'actine et de myosine chez l'animal, construction d'une plaque cellulaire par le phragmoplaste chez le végétal.

La conservation du caryotype, propriété essentielle

Deux cellules génétiquement identiques

La propriété essentielle de la mitose est la suivante. Les deux cellules filles possèdent le même caryotype que la cellule mère, et la même information génétique. Le schéma général se résume ainsi.

1 cellule 2n ⇒ 2 cellules 2n

Le symbole 2n désigne le nombre de chromosomes d'une cellule diploïde, sans unité, et la flèche indique le passage par un cycle de division.

La mitose produit donc un clone cellulaire, au sens biologique du terme. Elle est aussi le moteur de la reproduction asexuée, du bourgeonnement de l'hydre à la division de la paramécie. La division des bactéries, en revanche, n'est pas une mitose : c'est une scissiparité, sans fuseau mitotique.

Ce que la mitose conserve et ce qu'elle ne garantit pas

La conservation porte sur la séquence de l'ADN et sur le nombre de chromosomes. Elle est très fidèle, sans être absolue. Trois nuances sont attendues à ce niveau.

D'abord, la réplication introduit un faible taux d'erreurs qui échappent à la réparation, et ces mutations somatiques s'accumulent avec l'âge. Ensuite, la répartition des organites comme les mitochondries n'est pas rigoureusement égale.

Enfin, deux cellules génétiquement identiques peuvent avoir des profils d'expression différents. La différenciation cellulaire repose en partie sur des marques épigénétiques, dont certaines seulement traversent la mitose.

Points de contrôle du cycle et lien avec la cancérogenèse

Les trois points de contrôle principaux

Le cycle cellulaire est surveillé par des mécanismes appelés points de contrôle, ou checkpoints. Ils bloquent la progression du cycle tant que certaines conditions ne sont pas remplies. Trois sont classiquement présentés.

Le point de contrôle de fin de G1 porte sur la taille de la cellule, les ressources disponibles et l'intégrité de l'ADN, et décide de l'entrée en phase S. Celui de fin de G2 vérifie que la réplication est complète et sans lésion non réparée.

Le point de contrôle du fuseau agit à la transition métaphase vers anaphase. Il retarde la séparation des chromatides tant qu'un kinétochore n'est pas correctement attaché. Il protège donc directement contre l'aneuploïdie.

Les régulateurs moléculaires du cycle

La progression du cycle est pilotée par des kinases dépendantes des cyclines, notées CDK. Une CDK n'est active que liée à une cycline. La concentration des cyclines oscille au cours du cycle, ce qui impose un rythme.

Les travaux sur ces régulateurs ont été distingués par le prix Nobel de physiologie ou médecine 2001, attribué à Leland Hartwell, Tim Hunt et Paul Nurse. Hartwell a identifié des gènes de contrôle du cycle chez la levure, Hunt a découvert les cyclines, Nurse les kinases associées.

Des protéines suppresseurs de tumeurs interviennent en amont. La protéine p53, codée par le gène TP53, s'accumule en réponse à des lésions de l'ADN. Elle peut provoquer un arrêt du cycle, une réparation ou la mort cellulaire programmée.

Quand les contrôles échouent

Si un point de contrôle est défaillant, une cellule peut se diviser malgré un ADN endommagé. Les anomalies se transmettent alors aux cellules filles et s'accumulent au fil des divisions. Ce mécanisme est au cœur des modèles actuels de cancérogenèse.

La transformation tumorale est décrite comme un processus à plusieurs étapes. Elle associe des mutations activatrices de gènes favorisant la prolifération et des mutations inactivatrices de suppresseurs de tumeurs. Le gène TP53 est l'un des plus fréquemment altérés dans les cancers humains.

Plusieurs traitements anticancéreux ciblent la mitose elle-même. Certains agents déstabilisent ou stabilisent les microtubules et bloquent les cellules en métaphase, d'autres inhibent des CDK. Le détail dépasse le programme de prépa, mais le principe est attendu.

Mitose et méiose : la comparaison attendue

Le tableau de comparaison point par point

Ce que la méiose ajoute, et seulement elle

Deux événements sont propres à la méiose. Le premier est l'appariement des chromosomes homologues en prophase I, qui forme des structures à quatre chromatides. Le second est la séparation des homologues en anaphase I.

Ces deux événements fondent les deux brassages. Le brassage intrachromosomique résulte des échanges entre chromatides d'homologues, lors des crossing-over. Le brassage interchromosomique résulte de l'orientation indépendante de chaque paire d'homologues.

La méiose II ressemble beaucoup à une mitose : elle sépare des chromatides sœurs, sans réplication préalable. La différence est que la cellule qui l'engage est déjà haploïde.

Les pièges de rédaction les plus coûteux

Le premier piège est de parler de chromosomes homologues en mitose. En mitose, les homologues ne s'apparient pas et se comportent indépendamment. Leur appariement est la marque de la prophase I de méiose.

Le deuxième piège est de confondre la séparation des homologues et celle des chromatides. En anaphase de mitose et en anaphase II, ce sont les chromatides sœurs qui se séparent. En anaphase I, ce sont les homologues entiers, portant encore deux chromatides chacun.

Le troisième piège concerne le compte des chromosomes après la phase S. Une cellule à 46 chromosomes à deux chromatides reste une cellule à 46 chromosomes. Elle n'en a pas 92, même si elle contient 92 chromatides.

La place de la notion au programme et aux concours

La mitose et le cycle cellulaire figurent au programme de spécialité sciences de la vie et de la Terre du lycée, publié au Bulletin officiel spécial n°8 du 25 juillet 2019. Le programme de biologie de la voie BCPST a été publié au Bulletin officiel n°26 du 1er juillet 2021. Vérifie la version en vigueur sur les pages du ministère et sur le site officiel de ta filière.

Aux concours, cette notion apparaît rarement seule dans un sujet entier. Elle sert de socle à des questions sur la génétique, le développement ou la cancérogenèse, et de support de travaux pratiques sur racine d'ail. En colle, l'exercice le plus courant reste l'analyse d'un graphique de quantité d'ADN ou d'une photographie de cellule en division. L'attendu est double : identifier le stade, puis justifier par le compte des chromosomes et des chromatides.