OBjectifs d’apprentissage
À la fin de cette section, vous serez en mesure de :
- Décrire le processus de fission binaire chez les procaryotes
- Expliquer comment les protéines FtsZ et tubuline sont des exemples d’homologie
- Fission binaire
Les procaryotes tels que les bactéries se propagent par fission binaire. Pour les organismes unicellulaires, la division cellulaire est la seule méthode pour produire de nouveaux individus. Dans les cellules procaryotes et eucaryotes, le résultat de la reproduction cellulaire est une paire de cellules filles qui sont génétiquement identiques à la cellule mère. Dans les organismes unicellulaires, les cellules filles sont des individus.
Pour obtenir le résultat de cellules filles identiques, certaines étapes sont essentielles. L’ADN génomique doit être répliqué puis réparti dans les cellules filles ; le contenu cytoplasmique doit également être divisé pour donner aux deux nouvelles cellules la machinerie nécessaire au maintien de la vie. Dans les cellules bactériennes, le génome est constitué d’un seul chromosome d’ADN circulaire ; le processus de division cellulaire est donc simplifié. La mitose est inutile car il n’y a pas de noyau ni de chromosomes multiples. Ce type de division cellulaire est appelé fission binaire.
Fission binaire
Le processus de division cellulaire des procaryotes, appelé fission binaire, est un processus moins compliqué et beaucoup plus rapide que la division cellulaire chez les eucaryotes. En raison de la vitesse de la division cellulaire bactérienne, les populations de bactéries peuvent croître très rapidement. L’unique chromosome d’ADN circulaire des bactéries n’est pas enfermé dans un noyau, mais occupe un emplacement spécifique, le nucléoïde, à l’intérieur de la cellule. Comme chez les eucaryotes, l’ADN du nucléoïde est associé à des protéines qui aident à emballer la molécule dans une taille compacte. Les protéines d’empaquetage des bactéries sont cependant apparentées à certaines des protéines impliquées dans la compaction des chromosomes des eucaryotes.
Le point de départ de la réplication, l’origine, est proche du site de liaison du chromosome à la membrane plasmique (figure 1). La réplication de l’ADN est bidirectionnelle – s’éloignant de l’origine sur les deux brins de la boucle d’ADN simultanément. Au fur et à mesure que les nouveaux doubles brins se forment, chaque point d’origine s’éloigne de la fixation à la paroi cellulaire pour se diriger vers les extrémités opposées de la cellule. Au fur et à mesure que la cellule s’allonge, la membrane en croissance facilite le transport des chromosomes. Une fois que les chromosomes ont dépassé le point central de la cellule allongée, la séparation cytoplasmique commence. Un septum se forme entre les nucléoïdes de la périphérie vers le centre de la cellule. Lorsque les nouvelles parois cellulaires sont en place, les cellules filles se séparent.
Figure 1. La fission binaire d’une bactérie est décrite en cinq étapes. (crédit : modification du travail de « Mcstrother »/Wikimedia Commons)
L’évolution en action
Appareil du fuseau mitotique
Le moment précis et la formation du fuseau mitotique sont essentiels au succès de la division cellulaire eucaryote. Les cellules procaryotes, en revanche, ne subissent pas de mitose et n’ont donc pas besoin d’un fuseau mitotique. Cependant, la protéine FtsZ qui joue un rôle si vital dans la cytokinèse procaryote est structurellement et fonctionnellement très similaire à la tubuline, l’élément constitutif des microtubules qui composent les fibres du fuseau mitotique nécessaires aux eucaryotes. La formation d’un anneau composé d’unités répétitives d’une protéine appelée FtsZ dirige la partition entre les nucléoïdes chez les procaryotes. La formation de l’anneau FtsZ déclenche l’accumulation d’autres protéines qui travaillent ensemble pour recruter de nouveaux matériaux de membrane et de paroi cellulaire sur le site. Les protéines FtsZ peuvent former des filaments, des anneaux et d’autres structures tridimensionnelles ressemblant à la manière dont la tubuline forme les microtubules, les centrioles et divers composants du cytosquelette. En outre, FtsZ et la tubuline emploient toutes deux la même source d’énergie, le GTP (guanosine triphosphate), pour assembler et désassembler rapidement des structures complexes.
FtsZ et la tubuline sont un exemple d’homologie, des structures issues des mêmes origines évolutives. Dans cet exemple, FtsZ est présumée être similaire à la protéine ancêtre à la fois de la FtsZ moderne et de la tubuline. Si les deux protéines sont présentes dans les organismes existants, la fonction de la tubuline a évolué et s’est considérablement diversifiée depuis son origine procaryote de type FtsZ. Une étude de la machinerie de division cellulaire chez les eucaryotes unicellulaires actuels révèle des étapes intermédiaires cruciales vers la machinerie mitotique complexe des eucaryotes multicellulaires (tableau 1).
Les fibres du fuseau mitotique des eucaryotes sont composées de microtubules. Les microtubules sont des polymères de la protéine tubuline. La protéine FtsZ active dans la division cellulaire des procaryotes est très similaire à la tubuline dans les structures qu’elle peut former et dans sa source d’énergie. Les eucaryotes unicellulaires (comme la levure) présentent des étapes intermédiaires possibles entre l’activité de FtsZ pendant la fission binaire chez les procaryotes et le fuseau mitotique chez les eucaryotes multicellulaires, pendant lequel le noyau se décompose et se reforme.
| Tableau 1. Évolution du fuseau mitotique | |||
|---|---|---|---|
| Structure du matériel génétique | Division du matériel nucléaire | Séparation des cellules filles | |
| Procaryotes | Il n’y a pas de noyau. L’unique chromosome circulaire existe dans une région du cytoplasme appelée le nucléoïde. | Il se produit par fission binaire. Lorsque le chromosome est répliqué, les deux copies se déplacent vers les extrémités opposées de la cellule par un mécanisme inconnu. | Les protéines FtsZ s’assemblent en un anneau qui pince la cellule en deux. |
| Certains protistes | Les chromosomes linéaires existent dans le noyau. | Les chromosomes se fixent à l’enveloppe nucléaire, qui reste intacte. Le fuseau mitotique traverse l’enveloppe et allonge la cellule. Il n’existe pas de centrioles. | Les microfilaments forment un sillon de clivage qui pince la cellule en deux. | Autres protistes | Des chromosomes linéaires existent dans le noyau. | Un fuseau mitotique se forme à partir des centrioles et traverse la membrane nucléaire, qui reste intacte. Les chromosomes s’attachent au fuseau mitotique. Le fuseau mitotique sépare les chromosomes et allonge la cellule. | Les microfilaments forment un sillon de clivage qui pince la cellule en deux. |
| Cellules animales | Des chromosomes linéaires existent dans le noyau. | Un fuseau mitotique se forme à partir des centrioles. L’enveloppe nucléaire se dissout. Les chromosomes se fixent au fuseau mitotique, qui les sépare et allonge la cellule. |
Les microfilaments forment un sillon de clivage qui pince la cellule en deux. |
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