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Mitose et réparation de l’ADN


Les anomalies de la mitose
L'inactivation du fuseau : Le fuseau achromatique, qui sépare les éléments de chaque chromatide et les attire vers l'un ou l'autre centriole après la métaphase, s'édifie par assemblage de molécules de tubuline. Celle-ci, en phase G0/1, sert aussi à construire les microtubules qui interviennent dans divers mouvements cellulaires et intracellulaires, jouent un rôle important dans l'activité des neurones (neurotubules) et forment l'axonème des cils.
Le défaut d'assemblage de la tubuline empêche la formation du fuseau mitotique et donc la séparation des chromosomes (Colchicine)
Les conséquences de l'arrêt du processus mitotique : la formation des chromosomes à la prophase est normale, mais le rassemblement métaphasique ne se produit pas, ils restent dispersés. Il s’ensuit soit la mort cellulaire, par arrêt des métabolismes, soit la reprise de la mitose, qui peut aboutir, rarement, à la formation des 2 noyaux mais sans cytodiérèse (cellule binucléée), soit le plus souvent, à de multiples petits noyaux (caryomérië)pouvant fusionner en un noyau tétraploïde.
Ces phénomènes sont différents de ceux qui aboutissent aux noyaux polyploïdes des mégacaryocytes, aux cellules géantes histiocytaires (fusion des cytoplasmes des macrophages).
Les facteurs responsables : substances chimiques empêchent l'édification du fuseau et celle des microtubules. Dérivés de l'arsenic, ou autres métaux lourds, qui se combinent aux groupes SH nécessaires à l'assemblage de la tubuline. Colchicine, Podophyllotoxine et chélidonine, Vinblastine et vincristine, alcaloïdes de la pervenche.
Le fuseau mitotique peut être absent ou incomplet dans les cellules cancéreuses.
Les mitoses multicentriques(multipolaires) : les fibres fusoriales s'orientent autour de plus de 2 centrosomes. Ces mitoses se terminent, sans division cytoplasmique par une cellule multinucléée, soit par un seul volumineux noyau polyploïde, souvent multilobé. Lié à un nombre excessif de centrosomes, qui dépend de celui des chromosomes, augmenté en cas de polyploïdie (observé dans la lignée mégacaryocytaire, les cellules cancéreuses.
Les mitoses à chromosomes polaires : persistance, à la métaphase, de chromosomes non mobilisés proches de l'un ou des deux centrosomes. Elles peuvent avorter et se terminer par la mort cellulaire, ou aboutir à deux noyaux à charge chromosomique inégale. Elles peuvent être provoquées expérimentalement par divers phénols et l'hydroquinone, et en culture de tissus sous l'effet du diéthylstilboestrol et de la testostérone, s'observent dans divers cancers (CIN du col utérin).
 
Les altérations acquises de l'ADN chromosomique : défauts de réplication / transcription de l'ADN. Lors de carences et surtout sous l'effet de chimiothérapie anticancéreuse.
La vitamine B12, et l'acide folique métabolisé en tétrahydrofolate (THF), sont nécessaires à la synthèse des nucléotides. Cette action peut devenir insuffisante : soit par déficience alimentaire, d'absorption ou d'utilisation de l'une ou l'autre vitamine, soit en présence de drogues antifoliques (aminoptérine, méthotrexate) qui inhibent la formation de THF.
Il s’ensuit un ralentissement, voire arrêt des mitoses, éventuellement dans les cellules cancéreuses et toujours dans les lignées cellulaires où la multiplication cellulaire est active. Cependant, le processus de transcription est beaucoup moins affecté, permettant une maturation dans ces lignées. On observe une dystrophie mégaloblastique, dans les diverses lignées cellulaires (myéloïdes surtout, mais aussi l'épithélium intestinal et celui de la langue), par diminution du nombre des cellules matures (effet hypoplasiant), par asynchronisme de maturation nucléocytoplasmique avec souvent macrocytose (effet dystrophique).
 
Action antimétabolique sur les bases et sur les nucléotides : Analogues de bases puriques / pyrimidiques et inhibent la synthèse des nucléotides par mécanisme de compétition : la 6-mercaptopurine et l'azathioprine sont des antimétabolites de l'adénine, le 5-FU et l'idoxuridine, de l'uracile, la cytosine arabinoside, de la cytosine, l'hydroxyurée et la mitomycine perturbent respectivement la synthèse des sucres et des bases puriques des nucléotides. Ces drogues entravent, la transcription et réplication de l'ADN. Leur action se manifeste donc, à la fois : par un arrêt des divisions cellulaires, effet surtout marqué sur les cellules cancéreuses mais aussi sur les lignées cellulaires normales (effet aplasiant), par l'absence de maturation des cellules et même un effet cytotoxique immédiat.
 
Action sur la transcription de l'ADN : Diverses drogues (actinomycine D, daunomycine, adriamycine, quinacrine) entravent la transcription de l'ADN. Elles retentissent donc sur le métabolisme cellulaire avec un effet cytotoxique direct.
 
L'action des hormones corticoïdes : diminution des synthèses protéiques qui peut donc affecter globalement les nucléoprotéines. Cependant leur action se manifeste électivement, sur les lymphocytes du cortex thymique et des centres clairs des follicules lymphoïdes, par une pycnose nucléaire et une diminution des mitoses (choc caryoclasique dans les états de choc et reproduit par injection de corticoïdes).
 
Les altérations moléculaires de l'ADN : les bases peuvent être altérées chimiquement par alkylation ou hydroxylation, peuvent être supprimées ou fixer une grosse molécule, des bases pyrimidiques adjacentes sur la même chaîne peuvent se lier pour former un dimère, des bases des 2 chaînes peuvent échanger une liaison covalente, 1 ou les 2 chaînes ribose-phosphates peuvent être brisées.
Les UV ne sont pas ionisants mais provoquent la formation de radicaux oxygène et des dimères de thymine en grand nombre.
Les radiations de forte énergie et particules alpha ou bêta sont excitatrices et ionisantes. En plus des dimères pyrimidiques, elles provoquent des altérations de bases (hydroperoxydes de thymine), liaisons entre bases des 2 chaînes, cassures des chaînes d'ADN.
Les substances chimiques cancérigènes  : époxydes, alkylants (chlorméthine ou moutarde à l'azote, melphalan, cyclophosphamide, chlorambucil) et cisplatine, établissent des liaisons entre les bases de la même ou des 2 chaînes d'ADN.
La plupart des procarcinogènes ne deviennent actifs qu'après avoir été métabolisés, par les enzymes oxydants du système microsomal (hydrocarbures aromatiques polycycliques, aminés aromatiques, nitrosamines, aflatoxine). Ils possèdent des groupes électrophiles capables de réagir avec les groupes nucléophilesde diverses macromolécules cellulaires : protéines et surtout nucléoprotéines, en particulier l'ADN. Ils provoquent des altérations isolées des bases (alkylation, hydroxylation), d'effet comparable aux UV, ou des liaisons entre chaînes ou des altérations des chaînons sucres-phosphates, d'effet comparable aux radiations de forte énergie (radiomimétiques).
Les mécanismes de réparation de l'ADN : Plusieurs systèmes enzymatiques réparent certaines lésions de l'ADN. Une enzyme de photoréactivation vient se fixer sur la zone d'ADN portant les dimères de thymine et rompt les liaisons, au cours d'une réaction photochimique où l'enzyme est activée par les UV A et la lumière visible.
La réparation par excision : intervient en dehors de la phase S de réplication et met en jeu, successivement : une endonucléase qui reconnaît la zone d'ADN altérée et rompt la chaîne d'un côté de cette zone, une ADN-polymérase qui remplace la chaîne coupée, en appariant les nucléotides manquants à ceux de la chaîne intacte, et qui rompt la chaîne coupée au-delà de la zone altérée, une ligase qui lie la chaîne reformée à l'extrémité intacte libérée par la polymérase. Ce système intervient rapidement, après exposition aux UV, pour éliminer les dimères de pyrimidine, mais peut réparer aussi les lésions des bases d'une seule chaîne provoquées par les hydrocarbures, l'aflatoxine et les aminofluorènes.
Ce processus de réparation par excision peut intervenir aussi sur des lésions par pontage entre bases des 2 chaînes (alkylants, mitomycine C, sels de platine, psoralènes associés aux UV A), si le pontage ne concerne pas 2 bases homologues sur les brins d'ADN. Sur les lésions des bases par radiations ionisantes / alkylants. La base altérée est reconnue par une glycosylase spécifique.
La réparation post-réplicative ou par recombinaison : intervient si lésions de l'ADN au moment de sa réplication (phase S). L'ADN-polymérase cesse de recopier le brin au niveau de la zone anormale et poursuit la réplication en aval. Cette brèche sera comblée par "recombinaison" : le brin d'ADN parental normal se substitue au brin nouveau portant la brèche, celui-ci est complété par appariement au brin nouveau complet. Le brin parental portant les bases anormales peut, ensuite, être réparé par le processus d'excision.
Cette réparation post-réplicative met en jeu : une protéine de recombinaison, qui aligne les zones homologues des molécules d'ADN jumelles, l'ADN-polymérase, une ligase et une enzyme qui assure la coupure des brins au niveau du site d'échange par entrecroisement.
Elle ne commet pas d'erreur dans l'appariement des bases.
La "réparation SOS", sujette aux erreurs (dérépression des gènes qui codent les enzymes de réparation). Ces gènes sont normalement inactivés par un répresseur et ne codent qu'une faible quantité d'enzymes. Lorsque la "protéine de recombinaison" est fixée à un ADN monocaténaire —ce qui se passe en regard d'une brèche post-réplicative— elle protéolyse ce répresseur, ce qui entraîne une importante synthèse des enzymes de réparation. Il apparaît surtout que l'ADN-polymérase formée dans ces conditions peut commettre des erreurs dans l'appariement des bases.
Ce mode de réparation est mis en action par les lésions de l'ADN qui interviennent en phase de réplication (phase S). Il représente un moyen d'assurer la survie cellulaire, au prix d'un risque d'erreurs dans la réplication des bases et donc dans le codage ultérieur des protéines.
La réaction d'adaptation : en présence d'une faible dose d'alkylant, assure une résistance induite à de fortes concentrations de ces substances. Elle correspond à la synthèse d'une protéine acceptrice, munie d'un résidu cystéine qui capte le groupe méthyle fixé par l'agent alkylant sur l'oxygène en position 6 de la molécule de guanine.
 
Les conséquences des lésions de l'ADN :
L'effet léthal peut résulter directement de l'arrêt de transcription de l'ADN, ou se manifester à l'occasion d’une mitose (mitonécrose) avec des anomalies de l'individualisation ou de la répartition des chromosomes.
L'effet mutagène, accélère le vieillissement cellulaire normal.
L'effet cancérigène des radiations et des substances chimiques qui altèrent l'ADN est bien connu (accumulation des erreurs de codage, translocations, recombinaisons, délétions partielles).
L'ADN est + vulnérable aux radiations et substances chimiques actives, lors de certaines phases du cycle cellulaire : pendant la mitose (affecte la structure / activité du fuseau, modification des rapports de l'ADN et des protéines nucléaires), pendant la phase S (altère l'ADN, et les enzymes de réplication ; + processus de réparation SOS, sujet à l'erreur).
Plusieurs maladies congénitales dépendent d'un défaut de réparation de l'ADN
Le xeroderma pigmentosum (XP) et ses variantes : insuffisance des systèmes de réparation des altérations de l'ADN provoquées par les UV B. Le défaut de réparation affecte toutes les cellules de l'organisme (on l'étudie in vitro sur des cultures de fibroblastes).
XP par défaut de réparation par excision (type classique), correspondant à l'absence ou à l'insuffisance de l'endonucléase. Cette forme dépend, de 7 gènes anormaux différents. L'un d'eux (gène A) est associé à des anomalies supplémentaires (microcéphalie, syndrome cérébelleux, déficit mental progressif) qui caractérisent le syndrome de De Sanctis Cacchione.
XP par défaut de réparation post-réplicative (XP "variant") alors que la réparation par excision est normalement active. Les lésions sont fortement aggravées, chez ces malades, par la caféine et la théophylline qui inhibent électivement ce type de réparation.
Certains XP ont un système de photoréactivation d'activité très inférieure à la normale (8 à 50%).
En dehors de cette dernière variété, les UVA ont un effet favorable sur l'évolution de la plupart des XP, en augmentant l'activité de l'enzyme de photoréactivation.
Outre la caféine et la théophylline, la chloroquine inhibe aussi le processus de réparation.
Un défaut de réparation analogue à celui du XP existe dans le syndrome de Cockayne.
L'ataxie-télangiectasie : défaut de réparation de l'ADN qui concerne les lésions provoquées par les radiations ionisantes et les carcinogènes radiomimétiques, alors que celles dues aux UV sont normalement réparées. Le déficit concerne une endonucléase particulière, qui dépend de 3 gènes différents, à l'origine d'une instabilité chromosomique, avec multiples anomalies du caryotype (translocations avec souvent 14q +, délétions, chromosomes en anneaux) et aggravée par l'exposition des cellules aux rayons X.
Le rétinoblastome : Dans sa forme héréditaire, autosomique dominante, défaut de réparation des lésions de l'ADN provoquées par les radiations ionisantes. La vulnérabilité aux RX est cependant bien inférieure à celle de l'ataxie-télangiectasie.
Dans la maladie de Fanconi : déficit de l'endonucléase, qui entrave l'excision des chaînes d'ADN, première étape de sa réparation. Cette affection comporte une aplasie myéloïde avec un risque accru de leucose ainsi que d'hépatocarcinome sous androgénothérapie (traitement de l'aplasie).
Dans le syndrome de Bloom : instabilité chromosomique et recombinaisons géniques fréquentes par ralentissement de la vitesse de réplication de l'ADN, avec augmentation des fourches de réplication.


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