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La méiose et ses mécanismes moléculaires
1. Introduction........................................................................................................................2
2. La méiose et ses mécanismes moléculaires ......................................................................3
3. La recombinaison méiotique ...........................................................................................10
4. Spo11; structure protéique et fonction dans la recombinaison méiotique .................13
5. Conclusions .......................................................................................................................17
6. Bibliographie ....................................................................................................................20
2
1. Introduction
Parmi tous les êtres vivants, même unicellulaires, une très grande partie sont capables de se
reproduire de manière sexuée, ce qui veut dire que les nouveaux organismes sont issus de la
fusion des cellules reproductives ou gamètes, donnant lieu ainsi à une cellule unique appelée
zygote. C’est à partir de cette cellule que le nouvel individu sera formé par division et
différenciation cellulaire successive.
Étant la fusion des noyaux des gamètes l’événement le plus important de la fécondation, la
duplication du nombre de chromosomes pendant ce processus est imminent. Cela veut dire
que si les gamètes contiennent le même nombre de chromosomes que n’importe quelle cellule
de l’organisme qui les produisent, alors sa progéniture doublerais en nombre de chromosomes
de génération en génération.
Cette incohérence entre l’événement de la fécondation et celle du nombre de chromosomes fut
déjà abordée à la fin du 19ème siècle. En effet, en 1887 August Weismann proposa le concept
d’une division cellulaire dite réductionniste dont le nombre de chromosomes est réduit à la
moitié chez les cellules germinales. Basé dans ce concept, le zoologiste Theodor Boveri
proposa en 1892 un modèle où les chromosomes homologues s’appariaient pendant cette
division réductionniste, fait qui fut observé quelques années après par Johanes Rückert. En
1905, Farmer et Moore donnaient le nom de Méiose (du Grec µειωσις qui signifie réduction )
à ce type de division particulière observée pendant la formation des cellules germinales.
Finalement, quand l’appariement des chromosomes homologues et la réduction du nombre de
ceux-ci pendant la méiose furent corrélés avec la théorie Mendélienne de la ségrégation de
caractères, l’ensemble donna origine à la théorie chromosomique de l’hérédité1.
Au début du 20ème siècle, la réduction du nombre de chromosomes pendant la méiose fut
étudiée en détail au niveau cellulaire et du moment que la composition des chromosomes fut
3
identifiée, les mécanismes moléculaires participant à cet événement ont commencé à être
élucidés même si actuellement plusieurs questions restent encore ouvertes à ce sujet.
Dans les lignes qui suivent, une vue d’ensemble de cette division particulière, sera présentée;
en passant par les différentes étapes caractérisées au niveau cellulaire, puis au niveau des
mécanismes moléculaires qui la régulent. Dans la dernière partie, le sujet de la recombinaison
chromosomique pendant la division méiotique sera traitée au niveau moléculaire, pour
finalement présenter un des facteurs protéiques prépondérant de cette étape, à savoir la
protéine Spo11.
2. La méiose et ses mécanismes moléculaires
De la même façon que la mitose ou division cellulaire classique, la méiose peut être divisée
en cinq étapes, à savoir l’interphase, prophase, métaphase, anaphase et télophase (pour un
résumé de la mitose observée par microscopie : référence 2 ). C’est la prophase qui est l’étape
la plus modifiée par rapport à la mitose. En effet, sa durée de temps est nettement prolongée et
il est possible de distinguer des étapes supplémentaires qui la caractérisent3: l’étape leptotène
qui commence le processus est caractérisée par la présence des chromosomes encore longs et
fins mais avec une structure mieux différenciée qu’au début d’une mitose normale. Dans
l’étape suivante, zygotène, la réorganisation des chromosomes vers la conformation dite
« Bouquet » est observée; à la fin de cette étape, la cellule apparaît presque comme haploïde
parce que les paires homologues sont associées. L’étape suivante, pachytène, les
chromosomes apparaissent alors comme des denses structures formées de quatre filaments ou
tétrade. Une observation détaillée de ces tétrades peut déjà mettre en évidence la présence de
sites de contact entre des chromosomes homologues, sites qui seront observés sous forme de
croix dans l’étape suivante, diplotène, et qui seront donc appelés « Chiasmata» ( du Grec
signifiant « forme en croix »). En effet, dans cette dernière étape, où les différentes
chromatides commencent à séparer leur centromère, les tétrades ont disparu et donc les
4
chiasmas sont plus facilement observables. C’est au niveau de ces sites de contact qu’un
échange de matière entre les deux chromatides peut avoir lieu, échange qui est connu comme
la recombinaison méiotique. Les étapes suivantes sont très semblables à celle de la mitose,
cependant, au niveau de cette première anaphase, ce ne sont pas les centromères des
chromatides sœurs qui subissent la séparation, mais plutôt les chromosomes homologues. En
effet, a la fin de cette première division cellulaire, les cellules filles sont encore diploïdes et
leur contenu en chromosomes paternel et maternel est complètement aléatoire. Finalement,
après une courte interphase où la réplication des chromosomes n’a pas lieu comme dans le cas
de la mitose, une deuxième division cellulaire, cette fois-ci, très similaire à la mitose est
réalisée, mais comme la réplication des chromosomes n’a pas eu lieu pendant l’interphase, les
cellules filles présentent la moitié du nombre de chromosomes, étant celle-ci la division
cellulaire réductionniste caractéristique de la méiose.
Image 2.1 : Représentation schématique des différentes étapes de la méiose d’un point de vue cellulaire3.
5
Ces différentes étapes ont commencé à être élucidées au niveau de leur mécanismes
moléculaires. En effet, la réplication de l’ADN ayant lieu pendant l’interphase, l’entrée dans
la prophase (Leptotène) est caractérisée par l’attachement des télomères de façon aléatoire au
niveau de la membrane nucléaire. Ensuite, les télomères sont déplacés pour être agrégés du
coté du centrosome. Ce processus nécessite probablement des protéines motrices;
alternativement il peut être imaginé des mouvements au niveau de la membrane nucléaire
comme responsables de ces déplacements. D’autre part, des ruptures au niveau des doubles
brins d’ADN sont produites pendant cette étape ( voir le chapitre suivant : Recombinaison).
Ces ruptures seront utilisées dans les étapes suivantes pour la création des unions entre les
chromatides paternel et maternel donnant lieu à la recombinaison génétique caractéristique de
la méiose.
A l’entrée de l’étape zygotène, tous les télomères sont agrégés du coté du centrosome,
disposition qui donne cette allure caractéristique dite configuration bouquet, grâce à son
apparence au microscope. Ce mouvement des chromosomes est requis afin de permettre
l’alignement des chromosomes homologues, même si les mécanismes moléculaires de
reconnaissance entre chromosomes n’est pas encore élucidé. En effet, un modèle pour la
rencontre entre chromosomes homologues est basé sur l’observation des mouvements de la
membrane nucléaire chez S. pombe une fois les télomères étant agrégés4. Dans ce modèle, tant
les chromosomes homologues comme hétérologues se trouvent confinés dans un espace étroit
dû à leur attachement à la membrane nucléaire par leurs télomères. Des mouvements
membranaires produisent le mélange des chromosomes permettant ainsi le rapprochement et
donc la recherche des chromosomes homologues.
Au niveau du Pachytène, l’ADN chromosomique est organisé autour d’un axe central
contenant la protéine Red1 ainsi qu’un complexe protéique appelé cohesin5. Le complexe
cohesin est constitué de quatre protéines : Scc1 (connue aussi comme Mcd1 ou Rad21), Scc3
6
( SA1 ou SA2), Smc1 et Smc36. Ce complexe protéique qui est déjà assemblé pendant la
réplication de l’ADN, fut découvert pour la première fois chez S. cerevisiae comme le
complexe responsable de maintenir ensemble les chromatides sœurs pendant la mitose. En
effet, dans le cas de la méiose chez S. cerevisiae, ce complexe varie seulement par le
remplacement de Scc1 pour la variante Rec87, même si chez les mammifères Smc1 est
remplacé par Smc1β , Scc3 par STAG3 et Scc1 par Rec8.
B
A
Image 2.2
(A) Modèle du complexe cohesin chez S. cerevisiae.
Le complexe cohesin est constitué de quatre protéines Smc3, Scm1, Scc1 et Scc3. Le clivage de Scc1 par la separase permet l’ouverture de l’anneau et ainsi la dissociation de ce complexe de la chromatine. (B) Modèle schématique de l’organisation
du complexe synaptomenal (SC). Ce modèle représente l’organisation du SC au stade de pachytène. (C) Une préparation chromosomique provenant des spermatocytes de souris au stade de pachytène sont visualisés par microscopie électronique après traitement au nitrate d’argent. Le SC est observé comme deux lignes parallèles entourées par une masse de chromatine sortant perpendiculairement.
Images adaptées de la référence 6.
separase active
Scc1 clivée par la separase
Chromatide sœurs de l’homologue maternel
Chromatide sœurs de l’homologue paternel
reco
mbi
natio
n
7
Les chromatides sœurs de chaque homologue sont donc maintenues ensemble par ce
complexe protéique, où le brins d’ADN sont organisés en long anneaux disposés de façon
parallèle sortant de l’axe établi par la cohésion de celles-ci ( image 2.2). Pendant le pachytène,
les axes des chromosome homologues sont tellement près que le complexe de cohesin semble
former une seule ligne quand il est observé au microscope par immunofluorescence. En effet,
cette association entre les axes paternel et maternel est connue sous le nom de synapse et est
réalisée par le complexe protéique synaptomenal (SC pour Synaptomeal Complex8). Protéines
comme Zip1 chez les levures8 ou Scp1 chez les mammifères9 constituent le centre de ce
complexe. Dans le cas des mammifères, deux autre protéines, Scp2 et Scp310 participent
activement dans l’association des axes chromatiques.
A la fin du Pachytène, les DHJs sont défaites et donc, l’échange de matériel entre les
chromosomes est produit. Immédiatement, le SC est désassemblé et les chiasmas sont
observables par microscopie (image 2.3). L’étape suivante, diplotène, les chromosomes
attachés avec son homologue par les chiasmas sont alignés afin de démarrer avec la première
métaphase. A différence de ce qui a lieu dans la mitose, pendant la méiose I, les fuseaux de
microtubules provenant du centrosome se lient du même coté au niveau des kinétochores de
chaque chromatide sœur (polarité synthélique, en contraste avec la polarité dite amphytélique
pour le cas d’un attachement provenant des pôles opposés dans la mitose). La polarité
d’attachement des microtubules est de grande importance pour les étapes suivantes, car la
bonne ségrégation des chromatides est dépendante de celle-ci11.
En effet, pendant la mitose les chromatides sœurs, qui sont maintenues entre elles par la
cohesin, risquent de ne pas être séparées dans deux cellules différentes si les microtubules,
qui sont responsables de la traction mécanique, proviennent du même pôle. Alors, le moyen
pour lequel la cellule contrôle ceci est basé sur la tension qui est produite une fois les
microtubules attachés12. Seulement dans le cas où cette tension existe, la sous-unité Scc1 de la
8
cohesin est coupée par une protéine appelée separase, et donc la séparation des chromatides
sœurs a lieu (image 2.2 A)13. Par contre, dans le cas de la méiose I, l’objectif n’est pas de
séparer les chromatides sœurs, mais plutôt de séparer les chromatides maternelles et
paternelles. Donc, la tension requise pour l’activation de l’étape suivante est seulement
produite si les microtubules attachés sur les kinetochores des chromatides sœurs proviennent
du même pôle (image 2.4)14. Quand ceci est produit, les chiasmas qui tenaient ensemble les
chromatides homologues sont coupés, au même temps la protéine separase coupe la sous-
unité Rec8 de la cohesin, mais seulement au niveau des bras chromosomiques, en laissant
intact ce complexe à proximité des centromères.
Complexe cohesin (Rec8)
recombinaison Réplication deschromosomes
Formation du complexe cohesin
Méiose I prophase
Chiasma
Les bras chromosomiques sont maintenus ensemble parle complexe protéique cohesin
chromosome maternel
chromosome partenel
Image 2.3 (A) Mise en évidence du chiasma par microscopie électronique au stade de diplotène. Deux
chiasmas sont observés comme connections entre les chromatide sœurs des chromosomes maternel et paternel.
(B) Représentation schématique des chiasmas présentés en (A). Pendant la réplication de l’ADN le complexe cohesin est formé entre les chromatides sœurs afin de les tenir ensemble. Ensuite, la recombinaison méiotique entre des chromosomes homologues produit des échanges réciproques correspondant aux chiasmas observés par microscopie.
Images adaptées de la référence 6.
9
Cette sélectivité n’étant pas encore bien comprise, même si le rôle de la protéine Spo13 a été
montré comme prépondérant dans ce phénomène15; la présence de la cohesin est d’importance
capital pour la méiose II, où en fait la tension utilisée comme moyen de vérifier le bon sens
d’orientation des microtubules est dépendante de celle-ci.
Finalement, la première méiose ayant lieu, la deuxième division cellulaire a lieu sans
réplication de l’ADN comme indiqué auparavant. Cette fois-ci les chromatides sœurs doivent
être attachées par des microtubules provenant de pôles opposés, pour que la dégradation de
Rec8 déclenche la ségrégation des chromatides sœurs dans des cellules différentes, obtenant
ainsi quatre cellules haploïdes à partir d’une cellule diploïde.
Méiose I
Méiose II
Métaphase I
Métaphase II
Anaphase I
Anaphase II
Complexe cohesin (Rec8)
Clivage de Rec8 au niveau des bras chromosomiques
Separase active
APC/cdc20 securin
separase
(a)
(a)
(b)
(b)
securin
separase
APC/cdc20
Separase active
Clivage de Rec8 au niveau du centromère
Image 2.4 : Segregation de chromosomes et clivage de Rec8 pendant la Méiose chez S. cerevisiae. (Méiose I) Les chromosomes maternel et paternel sont reliés par les chiasmas. La segregation des chromosomes paternel et maternel pendant la méiose I est induite par le clivage de Rec8 au niveau des bras chromosomiques. Noter la préférence de l’attachement synthélique des microtubules ( provenant du même pôle) dans cette étape. (Méiose II) L’attachement amphitélique des microtubules au niveau des centromères des chromatides sœurs ainsi que le clivage de Rec8 au niveau des cohesins restantes (placées près du centromère) permet la ségrégation des chromatides sœurs au niveau de la méiose II.
Images adaptées de la référence 6.
10
3. La recombinaison méiotique
En 1909, Janssens donna le nom de Chiasma aux structures en forme de « X » qu’il observa
au niveau du diplotène de la méiose. Cette observation lui mène à affirmer que les chiasma
étaient résultat d’un échange entre les chromatides d’origine paternel et maternel.
Malheureusement, 20 ans devront s’écouler avant que son modèle si révolutionnaire soit
accepté. En effet, ce modèle ne présente pas seulement une explication pour l’échange des
marqueurs chromosomiques observés par Morgan en 1911, mais il propose aussi le
mécanisme par lequel les chromosome homologues sont liés ensemble avant la première
métaphase.
Les chiasmas sont produits par recombinaison, donnant lieu à des échanges réciproques entre
les chromatides sœurs des chromosomes homologues. Le processus de recombinaison est
initié par la production de ruptures au niveau du double brin d’ADN (DSBs). Ces ruptures
sont produites par l’endonuclease Spo1116 au niveau de plusieurs endroits au long de chacun
des quatre chromatides (deux provenant du père et deux de la mère). Chez Saccharomyces
cerevisiae, ces ruptures ne sont pas produites d’une façon aléatoire, mais plutôt au niveau des
régions intergèniques et préférentiellement dans des domaines riches en séquences GC.
L’extrémité 5’, qui forme une liaison tyrosine phosphodiester avec Spo11 pendant le clivage,
est digérée par une exonucléase possiblement catalysée par la présence des protéines
Mre11/Rad5017, 18, 19, 20; phénomène qui a lieu une fois la liaison 5’-Spo11 cassée21. De cette
façon une extrémité 3’ simple brin est crée au niveau de chaque site de rupture22. A ce
moment, différentes protéines, entre elles les analogues de la protéine bactérienne RecA,
Rad51p et Dmc1p s’associent à cette extrémité simple brin afin de promouvoir les étapes
suivantes de la recombinaison23.
11
Ainsi, cette extrémité simple brin-3’ attaque le brin du chromosome homologue en réalisant
un appariement avec celui-ci ( première attaque). Des études in vitro suggèrent fortement la
participation de différentes protéines pendant ce processus chez S. cerevisiae, à savoir Rad51,
Rad52, Rad54, Rad55, Rad57 ainsi que la protéine de réplication A (RPA)24. Le brin du
chromosome homologue peut donc être utilisé comme matrice pendant la réparation de la
rupture ( figure 3.1). De la même façon, l’extrémité 5’ peut être réparée en utilisant comme
Formation du DSB
Relâchement de Spo11 et dégradation de l’extrémité 5’
Premier attaque d’un des simple brins
Synthèse d’ADN
Formation des double jonctions Holliday (DHJ)
Résolution des DHJ
Image 3.1 : Le modèle de la recombinaison méiotique basé sur la rupture des deux brins d’ADN (DSBs). L’endonuclease Spo11 produit un DSB en une des chromatides parentales. La dégradation de l’extrémité 5’ au niveau des sites clivés permet la formation de simple-brins. Un de ces simple-brins formés peut attaquer l’autre chromosome parental en s’appariant avec un des brins et en déplaçant l’autre. La réparation des brins clivés est produite par la réplication d’ADN. Ceci produit la formation des DHJ donnant lieu aux chiasmas observés par microscopie. Finalement, la résolution des DHJ permet la ségrégation de chromatides ayant subis la recombinaison de certaines régions chromosomiques. Les sites de résolution asymétrique des DHJs sont présentés en vert. Images adaptées de la référence 6.
12
matrice le brin déplacé par l’extrémité 3’ pendant la première attaque (seconde attaque). Ces
attaques produisent l’échange de brins entre chromatides dans une petite région d’ADN,
structure nommée comme double jonctions Hollyday (DHJs).
L’étape finale du processus de recombinaison est bien la disjonction des DHJs, étape
essentielle tant pour la séparation des chromosomes maternels et paternels, comme pour la
production des échanges entre chromosomes avant la première anaphase. Le mécanisme
moléculaire de cette étape est mal connu, tant parce qu’il est possible que des protéines
participant à des étapes antérieures soient les responsables de celle-ci, ce qui rend difficile
leur identification par des criblage génétiques ; mais aussi par la complexité même du
processus. En effet, l’étape de recombinaison est réussite seulement si les clivages des DHJs
sont réalisés un horizontalement et l’autre verticalement, ce qui implique une asymétrie dans
le mécanisme de résolution de cette étape, faite caractéristique de la recombinaison méiotique.
Finalement, indiquer que la formation du chiasma et donc de la recombinaison est
d’importance fondamentale pour la réalisation d’une ségrégation correcte pendant la méiose I.
En effet, l'inactivation de Spo11 chez S. cerevisiae et C. elegans induit la non-formation de
chiasmas et par conséquence un manque de liaison entre chromosome homologues. Ceci fini
par une ségrégation aléatoire de chromosomes pendant la méiose I, et plus tard par une
massive aneuploïdie et une non-viabilité de la progéniture16, 7. De façon analogue, la délétion
de Spo11 chez la souris, induit le manque de production de gamètes fonctionnels tant chez les
males comme chez les femelles25.
13
4. Spo11; structure protéique et fonction dans la recombinaison méiotique
Comme il a été indiqué auparavant, la recombinaison méiotique est initiée par la rupture de
l’ADN au niveau des deux brins complémentaires d’un des chromosomes parentales. La
participation d’au moins dix composants protéiques dans ce processus semble être nécessaire,
parmi lesquels, la protéine Spo11 est considérée comme le composant prépondérant dans la
rupture de l’ADN lui-même. Cette protéine codée par un seul gène chez S. cerevisiae fut
caractérisée d’abord dans ce système modèle comme étant indispensable pour l’initiation du
processus de recombinaison méiotique26. Actuellement des homologues de cette protéine ont
été identifiés dans plusieurs autres organismes, c’est le cas chez Schizosaccharomyces Pombe
( où la protéine est connue sous le nom de Rec12) 27, Caenorhabditis elegans28, Drosophila
melanogaster29, Arabidopsis thaliana30 ainsi que chez la souris31.
Spo11 présente une similarité dans sa séquence avec une des sous-unités de la topo isomérase
archaebactérienne VI, même si sa fonction n’est pas nécessairement la même32. En effet, la
topo isomérase VI est un hétéro tétramère du type A2B2 dont la plus petite sous-unité, connue
comme Top6A, présente seulement 20-30% d’identité de séquence avec Spo11, bien que des
valeurs plus élevées sont trouvées au niveau de certains domaines.
L’identification de la structure cristallographique de la sous-unité Top6A chez
Methanococcus jannaschii a mis en évidence la présence de deux domaines trouvés aussi dans
d’autres topo isomérases33. Le domaine N-terminal est constitué de cinq hélices-α et deux
feuillet-β , similaire à un domaine capable de lier l’ADN chez E. coli (le domaine CAP). Ce
domaine contient le résidu catalytique Tyrosine, nommé le motif 5YCAP, qui est commun
parmi tous les topo isomérases pour la réalisation de la liaison phosphodiester avec
l’extrémité 5’ de l’ADN substrat (Tyr-135 chez S. cerevisiae Spo11). Le second domaine est
constitué de quatre feuillets-β disposés parallèlement et placés entre deux hélices-α. Ce
domaine est appelé Toprim (pour topo isomérases et primases) et seulement 3 résidus, un
14
glutamate et deux aspartates, sont conservés parmi tous les motifs Toprim connus. La fonction
de ces résidus n’est pas connu, mais ils sont responsables de la coordination des ions
métalliques tant dans la sous-unité Top6A ainsi que dans le cas des primases.
Cette étude cristallographique a mis aussi en évidence le caractère dimérique de Top6A
pendant son interaction avec l’ADN. En effet, la dimérisation de cette protéine donne lieu a
une structure présentant un profond canal (~18 °A) positivement chargé capable de loger
l’ADN. A l’intérieur de cette crevasse, le site catalytique 5YCAP est placé afin de pouvoir
former la liaison phosphodiester avec un des brins du substrat ; tandis que le domaine Toprim
ayant coordiné le Mg2+ est fortement responsable pour l’interaction entre l’ADN et le dimère
Top6A.
Basés dans la similarité de séquences entre la sous-unité Top6A et celle de Spo11, il est
possible d’imaginer que le mécanisme pour l’interaction et clivage de l’ADN soient
Image 4.1 : Structure du monomère topo VI-A (A) Diagramme mettant en évidence l’ensemble des structures tertiaires présentes dans le
monomère de la topo VIA. Le domaine N-terminal est présenté en jaune, le domaine C-terminal pour la coordination du métal en vert, d’autres régions du C-terminal sont présentées en bleu. Le linker entre les domaines amino et carboxy-terminal est présenté en rouge.
Images adaptées de la référence 33.
15
comparables. En effet, des mutations au niveau des résidus responsables de la coordination du
Mg2+ au niveau du domaine Toprim de Spo11 induit une diminution, voir une élimination
complète de la capacité de cette protéine pour la création de ruptures au niveau de l’ADN
pendant les étapes précoces de la recombinaison méiotique. D’autre part, des mutations au
niveau du site catalytique 5YCAP ont montré soit une élimination total de l’activité
enzymatique dans le cas où le résidu muté est bien la Tyr-135; ou bien des modifications au
niveau du choix des sites pour la réalisation de la rupture au niveau de l’ADN dans le cas où
les mutations se trouvent aux alentours de ce résidu34.
Image 4.2 : Modèle pour l’interaction entre l’ADN et la topo VI-A. (A) Différentes vues du dimère de la topo VI-A (du haut, du front et du bas).Les couleurs représentent
le potentiel électrique de surface (bleu : positif ; rouge ; négatif). (B) L’interaction entre l’ADN (rouge) et le dimère topo VI-A est représenté. Le motif 5YCAP et Toprim
sont colorés en jaune et bleu-vert respectivement. L’ion Mg2+ainsi que la tyrosine catalytique sont représentés en magenta. Les flèches indiquent la direction d’attaque des sites catalytiques.
Images adaptées de la référence 33.
16
Ces observations permettent de proposer le modèle suivant pour la rupture de l’ADN afin de
déclencher le processus de recombinaison (image 4.3):
L’ADN étant logé au niveau de la crevasse formée par la dimérisation de Spo11 (A), le résidu
catalytique (Tyr-135) attaque ce substrat en produisant une liaison phosphodiester entre la
protéine et l’extrémité 5’ des brins d’ADN (B). Cette rupture peut induire une dissociation du
dimère afin de maintenir la liaison covalente formée (C). Finalement, des extrémités simples
brins sont formées par clivage de la liaison DNA-Spo11 suivi d’une activité exo nucléase au
niveau du brin 5’ (D). Alternativement, une activité endonucléase comme moyen pour la
dégradation du brin 5’ peut aussi être envisagée (E).
Image 4.3 : Modèle pour le clivage de l’ADN par Spo11. La structure cristallographique de la topo VI-A a permis d’établir un modèle pour le mécanisme responsable du clivage de l’ADN par Spo11.
Images adaptées de la référence 37.
17
Comme il a été indiqué auparavant, la réalisation de ces ruptures au niveau de l’ADN n’est
pas effectuée par Spo11 toute seule. En effet, la participation des composants, tel que MEI4,
MER2, REC102, REC104, REC114 juste pour en citer certains est requise pendant ce
processus35. Actuellement, des études au niveau du rôle de ces différents composants ainsi
que leur interaction avec Spo11 sont réalisées afin d’élucider le mécanisme complet de cette
étape prépondérante de la recombinaison méiotique. D’autre part, la participation de Spo11
pendant la division méiotique est en train d’être évaluée, non seulement comme le composant
nécessaire pour le clivage de l’ADN au niveau de l’étape précoce de la recombinaison, mais
aussi dans la formation du complexe synaptoménal (SC) ainsi que dans la formation du fuseau
méiotique au niveau de la première métaphase36.
5. Conclusions
La méiose consiste en deux divisions cellulaires successives, nommées méiose I et méiose II.
Cette dernière est similaire à une division mitotique normale, tandis que la méiose I est
unique. La méiose est un processus responsable pour la formation de quatre cellules haploïdes
à partir d’une unique cellule diploïde. A cet effet, pendant la méiose I les chromosomes
homologues (maternel et paternel) sont ségrégés en deux cellules filles. Afin de réaliser cette
ségrégation réductionniste, chacun des chromosomes homologues doivent d’abord être
appariés, processus qui est dépendant de la participation des télomères pendant la disposition
des chromosomes dans la configuration dite « bouquet ».
L’appariement des chromosomes homologues n’est pas seulement nécessaire pour la
réalisation d’une propre ségrégation chromosomique pendant la méiose I, mais aussi pour la
réalisation du processus connu sous le nom de recombinaison méiotique. La recombinaison
méiotique permet l’échange d’allèles provenant originalement de différents organismes (le
père et la mère), en assurant ainsi que les cellules haploïdes résultantes présentent une
information génétique chimérique. De plus, le processus de recombinaison méiotique ainsi
18
que celui de la ségrégation chromosomique sont interdépendantes. En effet, les associations
covalentes formées pendant la recombinaison à travers les DHJs entre les chromosomes
homologues (chiasmas) semblent être responsables pour l’appariement stable entre ces
chromatides, assurant de cette façon le bon déroulement de la ségrégation.
La recombinaison méiotique est produite à travers la formation et la réparation des ruptures au
niveau de l’ADN (DSBs) à des sites spécifiques du génome. Un des premiers gènes
participant dans ce processus à être identifié fût SPO11. Son produit protéique, qui présente
une homologie avec une des sous-unités (TOP6A) de la topoisomérase archaebactérienne du
type II chez Sulfolobus shibatae, est considéré comme le responsable de catalyser la rupture
de l’ADN (DSBs) à travers de la formation d’une liaison phosphodiester entre l’extrémité 5’
des brins d’ADN et la tyrosine de son site catalytique. Cette liaison covalente fût caractérisée
par purification et microséquençage du complexe ADN-protéine provenant des cellules
mutantes (rad50S) où ces DBSs sont accumulés16. D’autre part, l’absence de Spo11p chez S.
cerevisiae ne permet pas la formation de DSBs, non plus des DHJs37. De plus, il a été montré
récemment que l’orientation de Spo11 vers une région spécifique du génome (à travers de la
construction d’une protéine chimérique avec un domaine protéique pour la liaison à l’ADN)
induit la réalisation du processus de recombinaison au niveau de ce site38. Même si tous ces
observations montrent la participation de Spo11p dans la formation des DSBs, la preuve
finale du clivage de l’ADN par cette protéine reste à être montrée.
Le rôle de Spo11p dans la recombinaison méiotique semble être fortement conservée pendant
l’évolution. En effet, des orthologues de cette protéine ont été identifiés tant dans les
eucaryotes inférieurs, ainsi que chez les eucaryotes supérieures inclus l’homme39.
D’autre part, la nécessité de la participation d’au moins 11 autre composants pendant la
formation des DSBs est largement accepté. Même si l’identification de ces gènes a été réalisée
il y a dix ans, les rôles moléculaires de la majorité d’entre eux restent à être élucidés.
19
Finalement indiquer que ce processus de réduction chromosomique réalisé pendant la
formation des cellules reproductives, ainsi que le brassage de l’information génétique entre
des chromosomes homologues, représentent la base de l’extraordinaire diversité génétique au
sein même d’une espèce vivante, fait caractéristique du monde eucaryote.
« Notre originalité personnelle naît de l’assemblage
jamais encore réalisé d’innombrables pierres (nos gènes),
dont aucune n’est originale en soi, dont chacune a pu
appartenir à des millions d’autres individus du réseau
dont nous sommes un maillon. Nous sommes donc mortels
en tant que personne unique en notre mélange, immortels
par les pièces de ce mélange. Certes la probabilité est
quasiment nulle q’un mélange identique à celui qui nous
avait formé réapparaisse un jour et qu’en quelque sorte
nous renaissions pleinement. »
D’après J. Hamburger, « L’homme et les hommes ».
20
6. Bibliographie
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