Mitose et méiose : les phases, le crossing-over et la non-disjonction

Deux sortes de division

La mitose divise une cellule en deux cellules génétiquement identiques à elle, chacune avec le jeu complet de chromosomes. C'est ainsi qu'un œuf fécondé devient un organisme et que la peau, la paroi intestinale et le sang se renouvellent. La méiose divise une cellule en quatre, chacune avec la moitié des chromosomes, pour produire ovules et spermatozoïdes (ou des spores chez les plantes et les champignons). Quand deux de ces cellules fusionnent à la fécondation, le nombre complet est rétabli.

Les cellules du corps sont diploïdes (2n) : elles portent deux jeux de chromosomes, un de chaque parent. L'humain a 2n = 46, soit 23 paires. Les deux chromosomes d'une paire sont des chromosomes homologues : mêmes gènes, même ordre, versions (allèles) éventuellement différentes. Les cellules sexuelles sont haploïdes (n = 23).

Avant toute division : la réplication

Pendant la phase S de l'interphase, chaque chromosome est copié. Les deux copies, les chromatides sœurs, restent unies au centromère, d'où la forme en X d'un chromosome en mitose. Le nombre de chromosomes ne change pas (46), mais la quantité d'ADN double, de 2C à 4C, où C est l'ADN d'un jeu.

La mitose, phase par phase

1. Prophase : la chromatine longue et fine s'enroule en chromosomes compacts ; le fuseau commence à se former entre les centrosomes.
2. Prométaphase : l'enveloppe nucléaire se désagrège et les fibres du fuseau s'attachent aux kinétochores de chaque centromère, une sœur vers chaque pôle.
3. Métaphase : les chromosomes s'alignent sur l'équateur, la plaque métaphasique. Un point de contrôle attend que chacun soit attaché des deux côtés.
4. Anaphase : les sœurs se séparent et sont tirées vers des pôles opposés. Chacune devient un chromosome à part entière.
5. Télophase et cytocinèse : une enveloppe nucléaire se reforme autour de chaque groupe, les chromosomes se décondensent et la cellule s'étrangle en deux.

Résultat : deux cellules diploïdes, de 46 chromosomes chacune, une chromatide par chromosome, 2C d'ADN.

La méiose, phase par phase

La méiose I sépare les homologues :

1. Prophase I : les chromosomes homologues s'apparient sur toute leur longueur (synapsis) en faisceaux de quatre chromatides. Des chromatides non sœurs échangent des segments correspondants : c'est le crossing-over, visible sous forme de chiasmas. C'est la phase la plus longue ; dans les ovocytes humains, elle reste en pause pendant des décennies.
2. Métaphase I : les paires s'alignent sur l'équateur, chacune orientée au hasard vers les pôles : c'est la ségrégation indépendante.
3. Anaphase I : les homologues partent vers des pôles opposés ; les sœurs restent ensemble.
4. Télophase I : deux cellules, chacune avec 23 chromosomes de deux chromatides (2C).

La méiose II ressemble à une mitose sans nouvelle copie : les chromosomes s'alignent dans chaque cellule, les sœurs se séparent, et on obtient quatre cellules haploïdes, chacune avec 23 chromosomes à une chromatide (1C).

Compter au fil d'une division (n = 23)

• Après la phase S : 46 chromosomes, 92 chromatides, 4C.
• Mitose, chaque cellule fille : 46 chromosomes, 46 chromatides, 2C.
• Après la méiose I, chaque cellule : 23 chromosomes, 46 chromatides, 2C.
• Après la méiose II, chaque cellule : 23 chromosomes, 23 chromatides, 1C.

Comptez les chromosomes par les centromères, pas par les chromatides : un chromosome répliqué en forme de X reste un seul chromosome.

Pourquoi chaque cellule sexuelle est différente

La ségrégation indépendante seule donne 2ⁿ combinaisons de chromosomes entiers : 2²³ = 8 388 608 chez l'humain. Le crossing-over, un à trois échanges par paire de chromosomes, mélange aussi les allèles à l'intérieur des chromosomes, si bien que le nombre de cellules sexuelles possibles est pratiquement illimité. Ajoutez la fécondation au hasard, et deux enfants des mêmes parents (sauf les vrais jumeaux) n'ont jamais le même génome.

La non-disjonction

Si deux homologues (en méiose I) ou deux sœurs (en méiose II ou en mitose) ne se séparent pas, une cellule fille reçoit les deux et l'autre aucun. Une cellule sexuelle avec un chromosome en trop donne une trisomie à la fécondation, une cellule à laquelle il en manque un une monosomie. La trisomie 21 (syndrome de Down) est la plus fréquente des trisomies viables ; son risque augmente fortement avec l'âge de la mère, car les ovocytes restent en pause en méiose I pendant des décennies. La non-disjonction en mitose produit une mosaïque et est courante dans les cellules cancéreuses.

Utiliser la simulation

Le Simulateur de mitose et de méiose joue une division avec des chromosomes rouges venant d'un parent et bleus venant de l'autre. À essayer :

• Lancez une mitose avec deux paires, puis une méiose avec les mêmes, et comparez la fin : deux cellules de quatre chromosomes contre quatre cellules de deux.
• En méiose, regardez la prophase I : l'extrémité d'une chromatide rouge et d'une bleue échangent leurs couleurs au point de crossing-over. Déplacez le curseur et la taille du morceau échangé change.
• Appuyez plusieurs fois sur Réinitialiser et notez en métaphase I de quel côté se tourne chaque chromosome rouge : cela change au hasard.
• Cochez la non-disjonction et lisez le nombre de chromosomes dans les cellules finales.

Ce que le modèle suppose

• Jusqu'à quatre paires de chromosomes, de longueur décroissante, à la place du vrai nombre.
• Un crossing-over par paire, au même point de chaque chromosome, entre les deux chromatides intérieures. Les vrais crossing-over varient en nombre et en position, et peuvent concerner n'importe quelle paire de chromatides non sœurs.
• Des durées de phase fixes. Une vraie mitose dure environ une heure d'un cycle cellulaire qui dure environ un jour, l'interphase en prenant presque tout ; la prophase I de la méiose peut durer des jours chez les spermatocytes et des décennies chez les ovocytes.
• La non-disjonction de la première paire seulement, à la première division.
• Des cellules schématiques : centrosomes, fuseaux et noyaux sont simplifiés ; il n'y a pas d'autres organites, et les quatre produits de la méiose sont dessinés égaux.

Cas limites

• Une seule paire (2n = 2) : seulement deux façons de se répartir ; les produits de la méiose ne diffèrent que par le crossing-over.
• Un crossing-over tout au bout d'un chromosome n'échange presque rien ; près du centromère, il échange presque un bras entier.
• La non-disjonction en mitose donne des cellules 2n + 1 et 2n − 1 ; en méiose I, deux cellules n + 1 et deux n − 1.
• La quantité d'ADN reste à 4C pendant toute la mitose jusqu'à la cytocinèse, même après la séparation des sœurs en anaphase.

Où le modèle cesse d'être juste

• Division inégale des ovocytes. Dans la méiose femelle, les divisions sont déséquilibrées : un gros ovule et deux ou trois minuscules globules polaires qui meurent. Seule la méiose mâle donne quatre spermatozoïdes égaux.
• Les chromosomes sexuels. X et Y ne s'apparient que sur de petites régions à leurs extrémités, et les homologues de la simulation sont tous des autosomes.
• Les cellules végétales construisent une nouvelle paroi du centre vers l'extérieur (une plaque cellulaire) au lieu de s'étrangler, et beaucoup de plantes sont polyploïdes, avec plus de deux jeux.
• Erreurs et points de contrôle. Les vraies cellules ont des points de contrôle du fuseau, des protéines (cohésines) qui maintiennent les sœurs ensemble et sont coupées à l'anaphase, et des voies de réparation ; quand elles échouent, les cellules peuvent se retrouver avec des jeux entiers en trop ou des chromosomes cassés, ce que ce modèle ne montre pas.
• Les bactéries ne font ni l'une ni l'autre ; elles copient un seul chromosome circulaire et se divisent par fission binaire, comme dans le Simulateur de croissance bactérienne.

Outils associés

Suivez les allèles des parents aux descendants avec l'Échiquier de Punnett et son guide, Comment utiliser un échiquier de Punnett ; voyez comment les fréquences alléliques évoluent au fil des générations dans le Simulateur de sélection naturelle et de génétique des populations ; et regardez la molécule copiée dans le Visualiseur de repliement d'ADN et d'ARN.