La mitose et la fécondation sont deux processus cellulaires fondamentaux qui jouent des rôles cruciaux dans la transmission de l'information génétique et la reproduction sexuée. Alors que la mitose assure la multiplication conforme des cellules somatiques, la fécondation, précédée de la méiose, permet la création d'une nouvelle entité génétiquement unique. Cet article explore la relation entre ces deux processus, en mettant en évidence leur importance respective et leur contribution à la diversité génétique.
Le rôle de la mitose dans le cycle cellulaire
Au cours du cycle cellulaire, on distingue deux grandes phases : l’interphase et la mitose. L’interphase est une période de croissance cellulaire, de production de protéines et de préparation à la division. La mitose, quant à elle, est le processus par lequel une cellule initiale se divise en deux cellules filles génétiquement identiques. Les cellules issues de la mitose possèdent des chromosomes simples. Une mitose dure de 1 à 4h environ. La mitose est donc essentielle pour la croissance, la réparation des tissus et le renouvellement cellulaire chez les organismes multicellulaires. Elle garantit que chaque nouvelle cellule reçoit une copie complète et fidèle du génome de la cellule mère.
Conservation de l'information génétique
Dans notre corps, nos cellules subissent régulièrement un processus appelé division cellulaire, qui permet d’obtenir deux cellules-filles à partir d’une cellule-mère. Cette division permet de transmettre l’information génétique d’une cellule à une autre. Il est possible d’observer une division cellulaire au microscope. Chaque cellule de notre corps possède une durée de vie limitée. Il faut donc les remplacer au fur-et-à-mesure où elles meurent. On voit que la quantité d’ADN est multipliée par deux avant d’être divisée par deux. La cellule commence par faire une copie des chromatides de chacun de ses chromosomes : c’est la duplication. Ainsi, pendant la duplication, les chromosomes vont passer d’une forme simple (une seule chromatide) à une forme double (deux chromatides reliées entre elles). Ainsi, l’information génétique portée par les chromosomes est conservée : la cellule-mère est identique aux deux cellules filles. BILAN n°1 : Pour conserver l’information génétique, notre corps réalise une division cellulaire qui permet de former deux cellules-filles IDENTIQUES à la cellule-mère. Pour cela, la cellule commence par faire une copie de chacun de ses chromosomes : c’est la DUPLICATION. Pendant cette phase, la cellule passe de 46 chromosomes SIMPLE CHROMATIDE à 46 chromosomes DOUBLE CHROMATIDE.
Méiose et Fécondation : Les clés de la diversité génétique
Contrairement à la mitose, la méiose est un type de division cellulaire qui se produit uniquement dans les cellules germinales (celles qui produisent les gamètes). La méiose réduit de moitié le nombre de chromosomes, passant d'une cellule diploïde (2n chromosomes) à des gamètes haploïdes (n chromosomes).
La formation des gamètes
Les cellules reproductrices (= gamètes), possèdent 23 chromosomes dans leur noyau. Lors de la formation des gamètes, on observe une réduction chromosomique lors de la méiose. Un des deux chromosomes de chaque paire de chromosomes contenu dans les cellules des testicules ou des ovaires se retrouve dans les cellules reproductrices. Lors de la méiose, la répartition des chromosomes dans les cellules-filles se fait au hasard : il y a donc plusieurs combinaisons de chromosomes possibles dans les gamètes. Bilan n°2 : La MÉIOSE est une division cellulaire qui permet la formation des GAMÈTES en sélectionnant, au HASARD, un chromosome sur chacune des paires des parents. Les spermatozoïdes et les ovules ne possèdent ainsi que 23 chromosomes, donc deux fois moins de chromosomes que les autres cellules du corps.
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La méiose est la succession de deux divisions cellulaires, précédées comme toute division d'un doublement de la quantité d'ADN, lors de la phase S de l'interphase.
Les étapes de la méiose
La méiose est un processus complexe divisé en deux divisions principales : la méiose I et la méiose II.
- Méiose I :
- Prophase I : Les chromosomes se condensent et deviennent visibles en microscopie. À ce stade, il y a 23 paires de chromosomes à 2 chromatides qui vont s'apparier. La structure formée pour ces chromosomes se nomme un bivalent ou une tétrade. La membrane nucléaire disparaît. Un événement essentiel de cette phase est le crossing-over, un échange de matériel génétique entre les chromosomes homologues.
- Métaphase I : Les centromères de chromosomes se disposent de part et d'autre de la plaque équatoriale qui divise la cellule en deux.
- Anaphase I : Les paires de chromosomes homologues se séparent et migrent indépendamment vers les pôles opposés de la cellule.
- Télophase I : Les chromosomes sont maintenant aux pôles de la cellule et l'enveloppe nucléaire se reforme chez certaines espèces. Ensuite, la cellule se divise au niveau de la plaque équatoriale, c'est la cytodiérèse ou cytocinèse. On obtient deux cellules filles haploïdes.La première division de méiose est une division dite réductionnelle. À la fin de cette division, on aboutit à deux cellules à n chromosomes.
- Méiose II :La seconde division de méiose se déroule directement après la première, sans réplication, avec une enveloppe nucléaire qui disparaît à nouveau en fonction des espèces.
- Prophase II : Les chromosomes se recondensent. Cette phase est très rapide car les chromosomes se sont peu décondensés à la fin de la première division. À ce stade, on a deux cellules à n chromosomes à 2 chromatides.
- Métaphase II : Les centromères des chromosomes s'alignent sur la plaque équatoriale.
- Anaphase II : Les chromatides des chromosomes se séparent et migrent aux pôles opposés de la cellule.
- Télophase II : La cellule subit la cytodiérèse ou cytocinèse. On obtient quatre cellules à n chromosomes à 1 chromatide.La deuxième division de méiose est une division dite équationnelle car on part de deux cellules-mères (issues de la première division de méiose) à n chromosomes à 2 chromatides, pour obtenir 4 cellules-filles à n chromosomes à 1 chromatide, les cellules-mères et les cellules-filles sont donc toutes haploïdes.
Fécondation et restauration de la diploïdie
En réunissant les 23 chromosomes du spermatozoïde et les 23 chromosomes de l’ovule, la fécondation aboutit à une cellule-œuf avec 46 chromosomes. La fécondation correspond à la réunion des gamètes de deux individus, de la même espèce, de sexe opposé. Elle se fait par fusion des gamètes (plasmogamie). Les noyaux haploïdes de chaque gamète, appelés pronuclei, fusionnent : c'est la caryogamie, ce qui forme le zygote diploïde, aussi appelé cellule-œuf. La fécondation permet au zygote de retrouver la diploïdie caractéristique de son espèce. Ainsi, l'espèce conserve son nombre de chromosomes au cours des reproductions sexuées : il y a conservation de la formule chromosomique de génération en génération.
Lors de la fécondation, le hasard entre de nouveau en jeu : un spermatozoïde va rencontrer un ovule de façon aléatoire pour former une cellule-œuf. Ce tableau est simplifié car il n’y a que 4 gamètes différentes pour chaque parents, ce qui donne seulement 16 combinaisons possibles (4×4 =16). Dans la réalité, il y a environ 8 388 608 de combinaisons de chromosomes dans les gamètes de chaque parents… soit 70 368 744 177 664 combinaisons possibles (8 388 608 x 8 388 608) !
Diversité génétique et reproduction sexuée
Lors de la formation des gamètes (= méiose), la répartition des chromosomes s’effectue au HASARD pour chaque paire. La méiose et la fécondation permettent la formation d’une cellule-œuf qui sera à l’origine d’un nouvel individu ORIGINAL et génétiquement UNIQUE (2 LOTERIES). LA REPRODUCTION SEXUEE aboutit à DES INDIVIDUS TOUS DIFFERENTS (sauf les vrais jumeaux). Les "vrais" jumeaux (#monozygotes). Un "miracle"! Extrait du documentaire "Le mystère des jumeaux" (2009) de Nils Tavernier.
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Les nouveaux individus sont différents physiquement de leurs parents, ainsi que de leur fratrie, mais ils possèdent tout de même le même nombre de chromosomes. Ce constat s'explique par le mécanisme de formation des gamètes (qui sont les cellules sexuelles, haploïdes) : la méiose, qui au cours de ses deux divisions successives permet une grande variété de gamètes possibles à partir du génome parental grâce aux brassages intra et interchromosomiques. Lors de la fécondation, deux gamètes se réunissent, et ainsi se multiplient les possibilités d'un nouvel individu unique.
La diversité génétique potentielle des zygotes est le résultat de plusieurs mécanismes :
- Brassage intrachromosomique : Le brassage intrachromosomique est un échange de fragments chromosomiques entre les chromosomes d'une même paire. Ce brassage aboutit à des combinaisons alléliques nouvelles lors de la formation des gamètes. Au cours de la prophase I, les chromosomes se condensent et s'apparient. Les chromosomes homologues s'enjambent et parfois ils cassent. Les fragments sont alors "recollés", soit à leur chromosome d'origine, soit à l'autre chromosome de la paire. C'est ce qu'on appelle le crossing-over ou enjambement. Ce crossing-over permet d'aboutir à des chromosomes recombinés. Ces combinaisons alléliques sont différentes des combinaisons parentales.
- Brassage interchromosomique : Le brassage interchromosomique correspond à la migration aléatoire des chromosomes homologues aux pôles opposés de la cellule au cours de l'anaphase I de la méiose. Il aboutit à une grande diversité de gamètes. Cette grande diversité, est le fruit de la disposition aléatoire des chromosomes des paires homologues lors de la métaphase I. Au cours de l'anaphase I de la méiose, les chromosomes homologues se séparent aléatoirement et migrent indépendamment les uns des autres vers les pôles opposés de la cellule. Il y a ainsi pour chaque paire d'homologues deux possibilités de migration en fonction de la disposition des homologues lors de la métaphase I. Chaque homologue porte les mêmes gènes mais une combinaison allélique différente. Chaque être humain possédant 23 paires de chromosomes, il y a donc une quantité presque infinie de gamètes possibles.
- Diversité génétique augmentée au cours de la fécondation : Les brassages inter et intrachromosomiques aboutissent à une grande diversité de gamètes chez l'homme et chez la femme. La réunion des deux gamètes au cours de la fécondation multiplie la diversité des zygotes, donc la diversité des individus. Il est possible de former 2n gamètes différents, chez l'Homme, cela permet de fabriquer 223 gamètes différents. Pour avoir un enfant, il faut deux parents, qui produisent des cellules reproductrices avec la même probabilité (\dfrac{1}{2^{23}}). La probabilité d'avoir un enfant identique à un premier enfant, pris comme référence, est donc de \dfrac{1}{2^{23}} x \dfrac{1}{2^{23}} = \dfrac{1}{2^{46}}.
Anomalies de la méiose
Cependant, des réarrangements génétiques ou des erreurs peuvent se produire au cours de la méiose : le crossing-over permet de nouvelles combinaisons alléliques ; d'autre part, des duplications à l'origine des familles multigéniques ; enfin des mouvements anormaux de chromosomes peuvent aboutir à des maladies génétiques.
- Crossing-over inégaux : Au cours du crossing-over, les fragments de chromosomes homologues ne sont pas toujours de la même taille ; on parle alors de crossing-over inégaux. Les duplications de gènes associées aux mutations de ces derniers sont le mécanisme à l'origine de l'apparition des familles multigéniques.
- Non-disjonction des chromosomes : Au cours de l'anaphase I, il peut arriver que les chromosomes homologues d'une même paire ne se disjoignent pas. Au cours de l'anaphase II, il peut arriver que les chromatides d'un même chromosome ne se séparent pas. La fécondation entre un gamète normal et un gamète portant un chromosome supplémentaire aboutit à un zygote porteur d'une trisomie.
- Trisomie : La trisomie est une maladie génétique due à la présence de trois chromosomes au lieu d'une paire. Cette maladie est causée par une non-disjonction des chromosomes homologues au cours de l'anaphase I de la méiose, ou de la non-disjonction des chromatides au cours de l'anaphase II de la méiose. Le syndrome de Down, est une trisomie 21, donc due à la présence de 3 chromosomes 21 au lieu de 2. S'il y a fécondation entre un gamète normal (apportant 23 chromosomes dans l'espèce humaine) et un gamète anormal (n'apportant que 22 chromosomes, il manque un représentant d'une paire d'origine), cela aboutit à un zygote porteur d'une monosomie.
- Monosomie : La monosomie est une maladie génétique due à la présence d'un seul chromosome au lieu d'une paire. Cette maladie est causée par une non-disjonction des homologues au cours de l'anaphase I de la méiose, ou de la non-disjonction des chromatides au cours de l'anaphase II de la méiose.
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