Cycle cellulaire et mitose : copier, puis répartir

Tu sais depuis la troisième qu'une cellule se divise en deux cellules « identiques », et depuis la seconde que l'information génétique est portée par l'ADN des chromosomes. La question de première est celle du comment : que doit faire une cellule pour que ses deux descendantes reçoivent chacune la totalité de l'information, et rien de moins ?

La réponse tient en deux verbes. Il faut d'abord copier chaque molécule d'ADN, puis répartir les copies, une de chaque à chacune des deux cellules. Le cycle cellulaire est l'enchaînement ordonné de ces opérations, de la naissance d'une cellule à sa propre division.

L'interphase : trois phases où la cellule vit et se prépare. Elle occupe la plus grande partie du cycle.

• G1 : la cellule croît et fonctionne. Chaque chromosome est alors formé d'une seule molécule d'ADN, associée à des protéines. On dit qu'il est à une chromatide.
• S (comme synthèse) : la cellule réplique son ADN — chaque molécule est copiée intégralement (mécanisme détaillé dans la leçon suivante). À la fin de S, chaque chromosome est formé de deux molécules d'ADN identiques, les chromatides sœurs, reliées au niveau du centromère. C'est ici, et seulement ici, que la quantité d'ADN double.
• G2 : la cellule vérifie et se prépare à se diviser. Rien ne change dans la quantité d'ADN.

La mitose : quatre phases pour répartir. Notée M, elle est brève et spectaculaire au microscope.

• Prophase : les chromosomes se condensent et deviennent visibles, chacun à deux chromatides ; l'enveloppe nucléaire se désorganise.
• Métaphase : les chromosomes s'alignent à l'équateur de la cellule, en une plaque équatoriale. C'est le moment où on les photographie pour établir un caryotype.
• Anaphase : les deux chromatides sœurs de chaque chromosome se séparent et migrent vers les pôles opposés. Chaque chromatide, désormais indépendante, est un chromosome à une chromatide.
• Télophase : deux lots identiques de chromosomes sont réunis aux deux pôles ; ils se décondensent, deux noyaux se reforment, puis le cytoplasme se partage (cytodiérèse).

La mitose est une division conforme. Chaque cellule fille reçoit exactement une chromatide de chaque chromosome : même nombre de chromosomes, même information génétique que la cellule mère. Le caryotype est conservé, et les deux cellules filles sont génétiquement identiques entre elles et à la cellule initiale — aux erreurs de copie près, qui seront le sujet de la leçon sur les mutations.

Retiens l'ordre, il est le squelette de toute la leçon : $\text{G1} \to \text{S} \to \text{G2} \to \text{prophase} \to \text{métaphase} \to \text{anaphase} \to \text{télophase}$, puis de nouveau G1 pour chacune des deux cellules filles.

Le cycle devient un objet de calcul dès qu'on distingue soigneusement trois mots que le langage courant mélange.

Chromosome, chromatide, molécule d'ADN. Une chromatide est une molécule d'ADN (avec ses protéines). Un chromosome est fait d'une chromatide (avant la phase S, et après l'anaphase) ou de deux chromatides sœurs identiques (après la phase S, jusqu'à l'anaphase). Donc, à tout instant : le nombre de molécules d'ADN est égal au nombre de chromatides. Le nombre de chromosomes, lui, se lit dans le caryotype tant que les chromatides sont attachées — et il double transitoirement en anaphase, quand chaque chromatide séparée devient un chromosome à part entière dans une cellule qui n'est pas encore coupée en deux.

L'algorithme de dénombrement. Pour une espèce de caryotype $2n$ :

La ligne « anaphase » est celle qui surprend : le nombre de chromosomes y vaut $4n$, alors que la quantité d'ADN n'a pas bougé depuis G2. Rien n'a été copié en anaphase — on a seulement détaché ce qui était copié depuis la phase S.

Chromatides sœurs et chromosomes homologues : deux notions, deux origines. Les deux chromatides d'un chromosome sont des copies l'une de l'autre, fabriquées en phase S : elles portent les mêmes allèles, à la lettre près. Les deux chromosomes homologues d'une paire (le $n$ de $2n$) viennent l'un du père, l'autre de la mère : ils portent les mêmes gènes, mais pas nécessairement les mêmes allèles. La mitose sépare des chromatides sœurs, jamais des homologues. Confondre les deux, c'est confondre une photocopie avec un exemplaire hérité.

Un cycle en chiffres. Pour une cellule humaine en culture, le cycle complet dure de l'ordre de $24$ heures : G1 environ $11$ h, S environ $8$ h, G2 environ $4$ h, et la mitose une heure à peine (ordres de grandeur, Alberts). La division qu'on observe au microscope n'est donc que la partie émergée d'un cycle dominé par l'interphase — et les cellules qui ne se divisent plus (neurones, fibres musculaires) sortent du cycle en G1, pour de bon ou pour longtemps.

À quoi sert la mitose ? À tout ce qui exige des cellules identiques : la croissance d'un embryon puis d'un enfant, le renouvellement des tissus (l'épiderme, la paroi de l'intestin, les cellules sanguines), la cicatrisation. Chez de nombreux êtres vivants, elle assure aussi une reproduction asexuée : les deux cellules issues d'une levure qui bourgeonne, d'une paramécie qui se divise, ou les rejets d'un fraisier sont des clones. La production des gamètes, en revanche, relève d'une autre division, la méiose, qui, elle, réduit le nombre de chromosomes de moitié — elle fait l'objet d'une autre leçon.

La quantité d'ADN raconte le cycle. Si l'on mesure la quantité d'ADN d'une cellule au fil du temps, on obtient une courbe caractéristique : un plateau à $q$ (G1), une montée progressive de $q$ à $2q$ (phase S, pendant que la copie avance), un plateau à $2q$ (G2, prophase, métaphase), puis une chute brutale à $q$ — à la télophase, quand on considère chacune des deux cellules filles. Lire cette courbe, c'est situer une cellule dans son cycle sans la voir.

Énoncé. Le caryotype de l'être humain compte $2n = 46$ chromosomes. On suit une cellule de peau au cours d'un cycle cellulaire. On note $q$ la quantité d'ADN de son noyau en phase G1.

1. Combien de molécules d'ADN la cellule contient-elle en G1 ? En G2 ?
2. Combien de chromosomes, et combien de chromatides, compte-t-on en métaphase ? En anaphase ?
3. Quelle est la quantité d'ADN de la cellule en G2, puis de chaque cellule fille ?
4. Chez la souris, on compte $80$ chromatides dans une cellule en métaphase de mitose. Quel est le caryotype de la souris ?

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1. Molécules d'ADN en G1 et en G2. En G1, chaque chromosome est à une chromatide : $46$ chromosomes donnent

En G2, la phase S est passée : chaque chromosome a deux chromatides, soit

2. Métaphase et anaphase. En métaphase, les chromatides sœurs sont encore attachées : $46$ chromosomes, $92$ chromatides. En anaphase, elles se séparent, et chaque chromatide devient un chromosome : la cellule, pas encore coupée, contient

soit toujours $92$ chromatides. Le nombre de chromosomes a doublé, le nombre de molécules d'ADN, non.

3. Quantité d'ADN. La quantité double pendant la phase S, donc en G2 elle vaut $2q$. À la télophase, chaque cellule fille reçoit une chromatide de chaque chromosome : $46$ molécules d'ADN, soit la quantité initiale $q$. Le cycle est bouclé.

4. Remonter au caryotype. En métaphase, chaque chromosome a exactement deux chromatides. Donc

et le caryotype de la souris est $2n = 40$ — soit $n = 20$ paires de chromosomes homologues. Une cellule de souris en G1 contient $40$ molécules d'ADN, et en anaphase $80$ chromosomes.

Contrôle. Deux invariants doivent tenir à chaque ligne : le nombre de molécules d'ADN est toujours égal au nombre de chromatides ; et le nombre de chromosomes d'une cellule fille est celui de la cellule mère. Si l'un des deux casse, le raisonnement a glissé — presque toujours sur la ligne « anaphase ».

Figure (fig.biology.cell-cycle-dna, SVG programmatique à produire) : deux registres superposés, partageant le même axe horizontal du temps.

• Registre du haut — la courbe de la quantité d'ADN. Axe horizontal : le temps d'un cycle, découpé en bandes étiquetées G1, S, G2, puis M (prophase, métaphase, anaphase, télophase, en bandes étroites). Axe vertical : la quantité d'ADN par cellule, graduée $q$ et $2q$ à partir de zéro. La courbe est plate à $q$ pendant G1, monte régulièrement de $q$ à $2q$ pendant S, reste plate à $2q$ pendant G2, prophase, métaphase et anaphase, puis tombe verticalement à $q$ à la télophase. Une annotation sur la montée : « réplication : la seule étape où l'ADN est copié » ; une annotation sur la chute : « répartition entre deux cellules : rien n'est détruit, chaque fille reçoit $q$ ».
• Registre du bas — un chromosome dessiné sous chaque bande. Sous G1 : un bâtonnet unique (une chromatide), légendé « 1 chromosome, 1 chromatide, 1 molécule d'ADN ». Sous G2 et métaphase : deux bâtonnets identiques joints en leur milieu par un disque (le centromère), légendés « 1 chromosome, 2 chromatides, 2 molécules d'ADN ». Sous anaphase : les deux bâtonnets séparés, écartés par deux flèches vers les pôles, légendés « 2 chromosomes à 1 chromatide ». Sous télophase : deux cellules esquissées, un bâtonnet dans chacune. Les deux chromatides sœurs sont dessinées avec la même trame (copies identiques) ; un encart montre en contraste une paire d'homologues, dessinés avec deux trames différentes, pour rappeler que ce ne sont pas des copies.
• Cartouche. « Le nombre de molécules d'ADN est toujours le nombre de chromatides. Le nombre de chromosomes ne change qu'en anaphase, où il double sans qu'aucun ADN soit fabriqué. »

Ce qu'il faut lire. La montée de la courbe se fait en S, pas en M : c'est la réfutation visuelle de l'idée que « l'ADN double pendant la mitose ». Et la chute finale n'est pas une perte : c'est le passage d'une comptabilité par cellule mère à une comptabilité par cellule fille.

La figure en détail : la figure comporte deux parties l'une au-dessus de l'autre. En haut, un graphique représente la quantité d'ADN d'une cellule en fonction du temps, au cours d'un cycle cellulaire. L'axe du temps est divisé en zones nommées G1, S, G2, puis les quatre phases de la mitose. La courbe est horizontale au niveau d'une valeur notée q pendant G1, monte régulièrement jusqu'à une valeur double, notée 2q, pendant la phase S, reste horizontale à 2q pendant G2 et le début de la mitose, puis redescend brutalement à q lors de la télophase, ce qui correspond au partage entre deux cellules filles. En bas, sous chaque zone, un chromosome est dessiné : un simple bâtonnet en G1, deux bâtonnets identiques réunis en leur centre en G2 et en métaphase, les deux bâtonnets séparés et s'éloignant l'un de l'autre en anaphase, puis un bâtonnet dans chacune des deux cellules filles en télophase. Un encart montre une paire de chromosomes homologues, dessinés différemment l'un de l'autre pour signaler qu'ils ne sont pas des copies.

Les mots à ne pas mélanger. Chromatide : une molécule d'ADN. Chromatides sœurs : les deux copies issues de la réplication, réunies au centromère. Chromosomes homologues : les deux exemplaires d'une paire, d'origine paternelle et maternelle, qui portent les mêmes gènes mais pas forcément les mêmes allèles. Caryotype $2n$ : le nombre de chromosomes d'une cellule somatique, $n$ étant le nombre de paires.

La méthode. Face à tout dénombrement : situer le moment dans le cycle (avant S, après S, pendant l'anaphase, après la division) ; en déduire le nombre de chromatides par chromosome ; multiplier par le nombre de chromosomes ; vérifier que molécules d'ADN et chromatides coïncident.

1. Croire que la quantité d'ADN double pendant la mitose. Elle double pendant la phase S de l'interphase, des heures avant la première image de prophase. La mitose ne fabrique rien : elle répartit. La courbe d'ADN le montre — la montée est en S, la mitose est un plateau suivi d'une chute.
2. Confondre chromatides sœurs et chromosomes homologues. Les chromatides sœurs sont des copies (mêmes allèles), les homologues des exemplaires hérités (mêmes gènes, allèles éventuellement différents). Un chromosome métaphasique à deux chromatides n'est pas « une paire » : c'est un seul chromosome, copié.
3. Penser que la mitose produit des cellules génétiquement différentes. Elle est conforme : chaque fille reçoit une chromatide de chaque chromosome, donc la même information. Les différences entre cellules d'un même organisme viennent de l'expression des gènes, pas de leur répartition — et, rarement, d'une mutation.
4. Écrire $2n$ chromosomes en anaphase. Dès que les chromatides sœurs sont séparées, chacune est un chromosome : la cellule en contient $4n$ jusqu'à la cytodiérèse. Une réponse « $46$ chromosomes en anaphase » chez l'humain est fausse : c'est $92$.
5. Compter les molécules d'ADN comme les chromosomes. Les molécules d'ADN se comptent par chromatides : $2n$ en G1, $4n$ après S. Chez l'humain, une cellule en G2 contient $92$ molécules d'ADN pour $46$ chromosomes.
6. Lire un caryotype métaphasique comme un compte de chromatides. Un caryotype à $46$ chromosomes photographié en métaphase montre $92$ chromatides. L'énoncé qui donne « $80$ chromatides en métaphase » cache un caryotype $2n = 40$, pas $80$.
7. Placer la mitose dans l'interphase, ou l'inverse. L'interphase est G1 + S + G2 ; la mitose vient après G2. « Interphase » ne veut pas dire « repos » : c'est le moment où la cellule croît, fonctionne et copie son ADN.
8. Oublier que le caryotype est conservé à chaque cycle. Deux cellules filles à $2n$ chromosomes, qui referont chacune un cycle complet. Si ton dénombrement d'une cellule fille ne redonne pas le $2n$ de départ, le cycle est mal bouclé.

Le modèle d'entraînement. L'exercice associé à cette leçon donne le caryotype réel d'une espèce (être humain, souris, chien, drosophile, oignon, maïs…) — ou, plus retors, le nombre de chromatides comptées en métaphase — et tire un moment du cycle : G1, G2, métaphase, anaphase, cellule fille. Il demande alors le nombre de chromosomes, de chromatides, de molécules d'ADN, ou le multiple de $q$ que vaut la quantité d'ADN. La réponse n'est jamais le nombre écrit dans l'énoncé : recopier ne suffit pas, il faut situer le moment. Un modèle voisin fait ranger dans l'ordre chronologique un sous-ensemble tiré des sept étapes du cycle.

Énoncé type. Le caryotype chez le chien compte $2n = 78$ chromosomes. On s'intéresse à une cellule en anaphase de mitose. Combien cette cellule contient-elle de chromosomes ?

Corrigé complet.

1. Situer le moment. L'anaphase suit la métaphase : la phase S est passée depuis longtemps, chaque chromosome avait deux chromatides sœurs, et c'est précisément l'instant où elles se séparent.

2. Traduire la séparation en dénombrement. Chaque chromatide séparée est un chromosome à une chromatide. Les $78$ chromosomes à deux chromatides deviennent donc

3. Vérifier que la cellule n'est pas encore divisée. En anaphase, la cytodiérèse n'a pas eu lieu : les $156$ chromosomes sont dans la même cellule, en train de migrer vers les deux pôles. Réponse : $156$ chromosomes.

4. Contrôler avec les invariants. Molécules d'ADN : $156$, égal au nombre de chromatides ($78 \times 2 = 156$ depuis la fin de S). Après la télophase, chaque cellule fille recevra $78$ chromosomes à une chromatide : le caryotype $2n = 78$ est conservé.

Auto-contrôle. Trois questions avant de répondre. Ai-je situé le moment par rapport à la phase S ? Ai-je tenu compte de l'anaphase, la seule étape où le nombre de chromosomes double ? Et mon nombre de molécules d'ADN est-il bien égal à mon nombre de chromatides ?