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Contenu principal

Les chromosomes

L'ADN, les chromosomes et les génomes, les chromosomes homologues, les chromatides sœurs, et les termes haploïde et diploïde.

Introduction

Quand une cellule se divise, l'une de ses principales tâches est de s'assurer que chacune des deux nouvelles cellules est une copie parfaite de son matériel génétique. Des erreurs lors de la copie ou une division inégale du matériel génétique entre les cellules peuvent conduire à la formation de cellules en mauvaise santé ou dysfonctionnelles (ce qui peut entraîner des maladies comme le cancer).
Mais qu'est-ce que ce matériel génétique et comment se comporte-t-il pendant une division cellulaire ?

L'ADN et les génomes

L'ADN (l'acide désoxyribonucléique) est le matériel génétique des organismes vivants. Chez les humains, on trouve de l'ADN dans presque toutes les cellules du corps, et il fournit aux cellules les instructions nécessaires pour grandir, remplir leurs fonctions et réagir à leur environnement.
Quand une cellule du corps se divise, elle transmet une copie de son ADN à chacune de ses cellules filles. L'ADN est également transmis au niveau des organismes, quand celui présent dans les spermatozoïdes se combine à celui des ovules pour former un nouvel organisme, qui a alors du matériel génétique de ses deux parents.
Physiquement parlant, l'ADN est une longue chaîne d'unités chimiques formant des paires (nucléotides), lesquelles apparaissent sous quatre différentes formes, que l'on abrège A, T, C et G. Il transporte des informations organisées en unités appelées gènes. Les gènes fournissent généralement des instructions pour la fabrication de protéines, lesquelles donnent aux cellules et aux organismes leurs caractéristiques fonctionnelles.
Image d'une cellule eucaryote montrant l'ADN nucléaire (dans le noyau), l'ADN mitochondrial (dans la matrice mitochondriale) et l'ADN du chloroplaste (dans le stroma du chloroplaste).
Dans les eucaryotes, tels que les plantes et les animaux, la majorité de l'ADN se trouve dans le noyau et s'appelle ADN nucléaire. Les mitochondries - organites qui récoltent de l'énergie pour la cellule - contiennent leur propre ADN mitochondrial, et les chloroplastes -organites qui réalisent la photosynthèse dans les cellules végétales - ont également de l'ADN chloroplastique. On trouve de beaucoup plus petites quantités d'ADN dans les mitochondries et les chloroplastes que dans le noyau. Dans les bactéries, la majorité de l'ADN se trouve dans une région centrale de la cellule appelée nucléoïde qui fonctionne de la même manière qu'un noyau, mais qui n'est pas entouré par une membrane.
On appelle l'ADN d'une cellule son génome. Puisque toutes les cellules d'un organisme (à quelques exceptions près) contiennent le même ADN, on peut également dire qu'un organisme a son propre génome et puisque les membres d'une espèce ont généralement des génomes similaires, vous pouvez aussi décrire le génome d'une espèce. En général, lorsque les gens se réfèrent au génome humain, ou à tout autre génome eucaryote, ils veulent parler de l'ensemble de l'ADN trouvé dans le noyau. Les mitochondries et les chloroplastes sont considérés comme ayant un génome distinct.

La chromatine

Dans une cellule, l'ADN n'existe généralement pas par lui-même, mais s'associe à des protéines spécialisées qui l'organisent et lui donnent une structure. Dans les eucaryotes, ces protéines comprennent les histones, un groupe de protéines de base (chargées positivement) qui forment des « bobines » autour desquelles l'ADN chargé négativement peut s'enrouler. En plus d'organiser l'ADN et de le rendre plus compact, les histones jouent un rôle important dans la détermination des gènes actifs. La structure qui contient l'ADN, les histones et d'autres protéines structurelles s'appelle la chromatine.
Image d'un polymère d'ADN long et à deux brins qui entoure les grappes de protéines histones. Cet ADN est ensuite organisé en structures d'ordre supérieur qui donnent sa forme au chromosome.
Pendant la majeure partie de la vie de la cellule, la chromatine est décondensée, ce qui signifie qu'elle a la forme de longs fils minces qui ressemblent à des gribouillis au microscope. Dans cet état, l’ADN est relativement facilement accessible par la machine cellulaire (comme les protéines qui lisent et copient l’ADN), ce qui est important pour permettre à la cellule de grandir et de fonctionner.
Décondensé peut sembler être un terme étrange pour définir cet état, pourquoi ne pas le qualifier simplement de « filiforme » ? – mais cela prend plus de sens quand on comprend que la chromatine peut aussi se condenser. La condensation a lieu lorsque la cellule est sur le point de se diviser. Lorsque la chromatine se condense, on constate que l'ADN eucaryote n'est plus seulement une longue chaîne. Au lieu de cela, il est divisé en pièces linéaires séparées appelées chromosomes. Les bactéries ont également des chromosomes, mais leurs chromosomes sont typiquement circulaires.

Les chromosomes

Chaque espèce a son propre nombre caractéristique de chromosomes. Par exemple, les humains ont 46 chromosomes dans une cellule classique du corps (cellule somatique), alors que les chiens en ont 781. Comme beaucoup d'espèces d'animaux et de plantes, les humains sont diploïdes (2n), ce qui signifie que la plupart de leurs chromosomes apparaissent par paires. On parle de paires homologues. Les 46 chromosomes d'une cellule humaine sont organisés en 23 paires, et les deux membres de chaque paire sont considérés comme homologues les uns aux autres (à l'exception des chromosomes X et Y ; voir ci-dessous).
Les spermatozoïdes et les ovules humains, qui n'ont qu'un chromosome homologue pour chaque paire, sont considérés comme haploïdes (1n). Quand un spermatozoïde et un ovule fusionnent, leur matériel génétique se combine pour former un ensemble complet et diploïde de chromosomes. Ainsi, pour chaque paire de chromosomes homologues dans votre génome, l'un des homologues vient de votre mère et l'autre de votre père.
Image du caryotype d'un humain mâle, avec des chromosomes de la mère et du père respectivement colorés en violet et en vert (pour permettre la distinction sur cette image).
Image modifiée de "Caryotype," par les Instituts nationaux de la santé (domaine public).
Les deux chromosomes d'une paire homologue sont très proches l'un de l'autre et ont la même taille et la même forme. Plus important encore, ils ont le même type d'informations génétiques, à savoir les mêmes gènes aux mêmes endroits. Cependant, ils n'ont pas nécessairement les mêmes versions de ces gènes. Et cela s'explique parce que l'on a sans doute hérité de deux versions de gènes différents, l'une venant de la mère, l'autre du père.
Prenons le chromosome 9 comme exemple. On peut considérer qu'un gène sur le chromosome 9 détermine votre groupe sanguin (A, B, AB, O)2. Il est possible qu'une personne ait deux copies identiques de ce gène, une sur chaque chromosome homologue — par exemple, vous avez peut-être une double dose de la version du gène du groupe A. Peut-être, au contraire, vous avez deux versions de gènes différentes sur vos deux chromosomes homologues, un pour le groupe A et un pour le groupe B (ce qui vous donne du sang AB).
Les chromosomes sexuels, X et Y, déterminent le sexe biologique d'une personne : XX indique un sexe femelle et XY indique un sexe mâle. Ces chromosomes ne sont pas de vrais homologues et sont donc l'exception à la règle des mêmes gènes aux mêmes endroits. Outre les petites zones de similitude nécessaires à la production des cellules sexuelles, qu'on appelle la méiose, les chromosomes X et Y sont différents et portent des gènes différents. Les 44 chromosomes non sexuels chez l'homme sont appelés autosomes.

Les chromosomes et la division cellulaire

Image d'une cellule pendant la réplication de l'ADN (tous les chromosomes du noyau sont copiés) et la condensation des chromosomes (tous les chromosomes deviennent compacts). Sur la première image, il y a quatre chromosomes filiformes décondensés dans le noyau de la cellule. Après la réplication de l'ADN, chaque chromosome se compose alors de deux chromatides sœurs attachées physiquement. Après la condensation des chromosomes, ils se condensent pour former des structures compactes (encore composées de deux chromatides).
Quand une cellule se prépare à la division, elle doit faire une copie de chacun de ses chromosomes. Les deux copies d'un chromosome sont appelées les chromatides sœurs. Les chromatides sœurs sont identiques et attachées l'une à l'autre par des protéines appelées les cohésines. L'attache entre les chromatides sœurs est plus serrée au niveau du centromère, une région d'ADN qui est importante lors de leur séparation au moment des étapes ultérieures de la division cellulaire.
Tant que les chromatides sœurs sont connectées au centromère, elles sont encore considérées comme un seul chromosome. Cependant, dès qu'elles sont séparées pendant la division cellulaire, chacune est considérée comme un chromosome à part entière.
Qu'arrive-t-il à un chromosome lorsqu'une cellule se prépare à la division ?
  1. Le chromosome se compose d'une seule chromatide et est décondensé (long et en forme de corde).
  2. L'ADN est copié. Le chromosome se compose maintenant de deux chromatides sœurs qui sont reliées par des protéines appelées cohésines.
  3. La condensation des chromosomes. L'ADN est toujours composé de deux chromatides sœurs, mais elles sont maintenant courtes et compactes plutôt que longues et en forme de corde. Elles sont fermement reliées au niveau du centromère, qui correspond à la zone de pincement intérieur semblable à une "taille".
  4. Les chromatides sont séparées. Chacune est maintenant considérée comme un chromosome distinct.
Pourquoi les cellules réalisent-elles cette réplication, cette condensation et cette séparation de leurs chromosomes ? La réponse, courte, est la suivante : c'est pour s'assurer que, pendant la division des cellules, chaque nouvelle cellule obtienne exactement une copie de chaque chromosome.
Pour une réponse plus détaillée, consultez les articles et vidéos sur le cycle cellulaire et la mitose. Là, vous pouvez voir comment le comportement des chromosomes permet aux cellules de transmettre un ensemble parfait d'ADN à chaque cellule fille pendant la division.

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