La méiose est un processus fondamental de la reproduction sexuée qui permet de maintenir le nombre de chromosomes d'une espèce d'une génération à l'autre. Des erreurs au cours de ce processus peuvent conduire à des anomalies chromosomiques, telles que la trisomie 21.
Introduction à la méiose
Les nouveaux individus diffèrent physiquement de leurs parents et de leur fratrie, tout en conservant le même nombre de chromosomes. Cela est dû à la méiose, le processus de formation des gamètes (cellules sexuelles haploïdes). La méiose comprend deux divisions successives qui génèrent une grande variété de gamètes à partir du génome parental grâce aux brassages intra- et interchromosomiques. Lors de la fécondation, la fusion de deux gamètes augmente les possibilités d'un nouvel individu unique. 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.
Cellules diploïdes et haploïdes
Une cellule diploïde contient 2n chromosomes, avec des chromosomes associés par paires d'homologues, ce qui signifie qu'il existe deux allèles pour chaque gène, qui peuvent être identiques ou différents. Toutes les cellules humaines, à l'exception des gamètes, sont des cellules diploïdes.
Une cellule haploïde contient n chromosomes. Les chromosomes ne sont pas appariés, il n'y a donc qu'un seul allèle pour chaque gène (même à l'état bichromatidien, un chromosome porte deux exemplaires du même allèle puisque, après réplication, les deux chromatides d'un chromosome sont identiques). Les gamètes humains ou les bactéries sont des cellules haploïdes.
Les étapes de la méiose
La méiose est une succession de deux divisions précédées d'une seule réplication, permettant d'obtenir des gamètes haploïdes, tels que les ovocytes et les spermatozoïdes, chez l'homme. Elle précède la fécondation, mais chez certaines espèces, c'est la méiose qui suit la fécondation. La méiose se produit chez certains champignons, où l'essentiel du cycle cellulaire est haploïde.
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Première division de la méiose (division réductionnelle)
La première division de la méiose est dite réductionnelle car elle modifie la ploïdie de la cellule mère. Elle comprend les étapes suivantes :
- Prophase I : Les chromosomes se condensent et deviennent visibles au microscope. 23 paires de chromosomes à 2 chromatides s'apparient. La structure formée par ces chromosomes est appelée bivalent ou tétrade. La membrane nucléaire disparaît. C'est au cours de cette phase que se produit le crossing-over.
- Métaphase I : Les centromères des 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. C'est là que se produit le brassage interchromosomique.
- Télophase I : Les chromosomes se trouvent 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 par cytodiérèse ou cytocinèse, ce qui donne deux cellules filles haploïdes.
Deuxième division de la méiose (division équationnelle)
La deuxième division de la méiose se déroule directement après la première, sans réplication. Elle comprend les étapes suivantes :
- 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. On a alors 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 vers les pôles opposés de la cellule.
- Télophase II : La cellule subit la cytodiérèse ou cytocinèse, ce qui donne quatre cellules à n chromosomes à 1 chromatide.
La deuxième division de la méiose est dite équationnelle car elle conserve la ploïdie de la cellule mère. 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
La fécondation correspond à la réunion des gamètes de deux individus de la même espèce et de sexe opposé. Elle se fait par fusion des gamètes (plasmogamie). Les noyaux haploïdes de chaque gamète, appelés pronuclei, fusionnent : c'est la caryogamie, 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. Le zygote est la cellule obtenue par la fécondation. Elle marque le retour à la diploïdie.
Diversité génétique
La méiose est une source importante de diversité génétique grâce aux brassages intra- et interchromosomiques.
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Brassage intrachromosomique
Le brassage intrachromosomique est un échange de fragments chromosomiques entre les chromosomes d'une même paire. Il se produit lors de la prophase I, lorsque les chromosomes homologues s'apparient et s'enjambent. 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. Le crossing-over aboutit à des chromosomes recombinés, avec des combinaisons alléliques 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 diversité est le fruit de la disposition aléatoire des chromosomes des paires homologues lors de la métaphase I. Pour chaque paire d'homologues, il existe 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 existe une quantité presque infinie de gamètes possibles.
Diversité génétique augmentée lors 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 2^23 gamètes différents. Pour avoir un enfant, il faut deux parents, qui produisent des cellules reproductrices avec la même probabilité (1/2^23). La probabilité d'avoir un enfant identique à un premier enfant, pris comme référence, est donc de (1/2^23) x (1/2^23) = 1/2^46.
Anomalies de la méiose et trisomie 21
Des erreurs au cours de la méiose peuvent conduire à des anomalies chromosomiques, telles que la trisomie et la monosomie.
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.
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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. La fécondation entre un gamète normal et un gamète sans chromosome aboutit à un zygote porteur d'une monosomie.
Trisomie 21 (Syndrome de Down)
La trisomie est une maladie génétique due à la présence de trois chromosomes au lieu d'une paire. Le syndrome de Down est une trisomie 21, due à la présence de 3 chromosomes 21 au lieu de 2. La trisomie 21 est l'anomalie chromosomique la plus fréquente dans l'espèce humaine.
Une cellule humaine diploïde possède 23 paires de chromosomes, soit 46 chromosomes. Chaque paire étant identifiée par un numéro, les paires 1 à 22 sont les autosomes tandis que la 23ᵉ paire correspond aux chromosomes sexuels X et Y, appelés gonosomes.
Dans sa forme la plus courante, la trisomie 21 se caractérise par la présence de trois chromosomes 21. En général, l'origine de cette trisomie est une fécondation entre un gamète possédant un chromosome 21 et un gamète possédant deux chromosomes 21. Dans la très grande majorité des cas, l'anomalie est portée par l'ovocyte. En effet, le vieillissement des ovocytes est à l'origine d'anomalies méiotiques favorisant la survenue d'une trisomie. Normalement, un gamète possède un seul chromosome 21. La présence de deux chromosomes 21 peut provenir d'une non-disjonction des chromosomes homologues (lors de la première division de méiose) ou des chromatides sœurs (lors de la seconde division de méiose). La trisomie 21 est alors dite libre et homogène. Libre, car il y a bien trois chromosomes 21, non liés à un autre chromosome, donc une formule à 47 chromosomes. Homogène, car l'ensemble des cellules du zygote porte la trisomie.
Des gamètes contenant deux chromosomes 21 peuvent être formés à cause d'anomalies lors de la première ou lors de la seconde division de méiose. Si un tel gamète féconde un gamète possédant un chromosome 21, l'embryon résultant possédera trois chromosomes 21. De telles méioses produisent également des gamètes sans chromosome 21.
Il existe également des cas de trisomie 21 mosaïque, où seule une partie des cellules de l'individu sont trisomiques. Cela se produit lorsque la non-disjonction se produit chez la personne trisomique, au tout début de son développement embryonnaire.
Le phénotype des trisomiques 21 s'explique par la présence en triple exemplaire de certains gènes portés par le bras long du chromosome 21. Par conséquent, d'autres anomalies chromosomiques que celles décrites jusqu'ici peuvent conduire à ce phénotype : il suffit pour cela que le bras long du chromosome 21 soit présent en triple exemplaire. C'est ce qui arrive en cas de translocation d'un chromosome 21 sur un autre chromosome. On observe alors une trisomie 21 non libre, avec une formule à 46 chromosomes.
Translocations et Trisomie 21
Il existe deux principaux types de translocations impliquant le chromosome 21 : les translocations réciproques et les translocations robertsoniennes.
Translocations réciproques : Une translocation réciproque correspond à un échange de matériel entre deux chromosomes. Dans le cas d'une translocation réciproque 7;21, un fragment terminal de chromosome 7 est échangé contre un fragment terminal de chromosome 21. L'individu porteur de cette translocation réciproque, porte 46 chromosomes et est en bonne santé, car tout le matériel chromosomique est présent en quantité normale, mais "mal rangé", ce qui n'occasionne pas de phénotype particulier. En revanche, en cas de grossesse il y a un risque important de transmission d'une anomalie chromosomique déséquilibrée.
Translocations robertsoniennes : Une translocation robertsonienne correspond à la fusion de deux chromosomes acrocentriques. Dans ce cas, on observe la fusion complète de deux chromosomes différents ; par exemple d'un chromosome 21 complet avec un chromosome 14 complet. L'individu porteur d'une telle translocation équilibrée, a donc 45 chromosomes et est en bonne santé (par exemple : 1 chromosome 21 + 1 chromosome 14 + 1 chromosome 14;21, soit 3 chromosomes au lieu de 4). Seuls les chromosomes acrocentriques (13, 14, 15, 21 et 22) peuvent être à l'origine de translocations robertsoniennes. Un point intéressant est que le risque de récidive, c'est-à-dire la probabilité d'avoir un enfant de phénotype type trisomie 21, est différent selon les translocations.
Dépistage et prise en charge de la trisomie 21
Un dépistage prénatal (échographies, analyses biochimiques, voire caryotype, etc.) est ainsi mené lors du suivi d'une grossesse. La trisomie 21 est la principale altération du caryotype à la naissance. Si la trisomie 21 est si importante en termes de nombre d'individus atteints, c'est parce que c'est l'une des rares anomalies chromosomiques viables.
La prise en charge sociale et médicale a grandement évolué, passant d’enfants non médicalisés et isolés, à une prise en charge active (la trisomie 21 a longtemps été une contre-indication à de nombreux actes médicaux), médicale, paramédicale et sociale.
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