Cycle cellulaire
Reproduction cellulaire : mitose
Métaphase

La métaphase correspond à l’établissement d’un état d’équilibre mécanique du fuseau mitotique, caractérisé par l’alignement complet des chromosomes sur la plaque équatoriale.

Chaque paire de chromatides sœurs est alors soumise à une tension bipolaire symétrique, résultant d’attachements kinétochoriens stabilisés vers les deux pôles opposés, conditionnant la levée du point de contrôle du fuseau (SAC) et l’activation ultérieure de l’APC/C (Anaphase-Promoting Complex/Cyclosome).

Événements cellulaires de la métaphase

La métaphase est caractérisée par l’alignement de l’ensemble des chromosomes sur la plaque équatoriale, une position d’équilibre dynamique définie par l’application de forces de traction symétriques sur les centromères par les microtubules kinétochoriens issus des deux pôles.

La plaque équatoriale ne correspond pas à une structure matérielle, mais à une position dynamique d’équilibre et constitue ainsi le point de référence spatial de la métaphase et le marqueur de la stabilisation mécanique préalable à l’entrée en anaphase.

Attachements end-on stables

1. L’alignement métaphasique repose sur l’établissement d’attachements end-on stables entre les kinétochores et les microtubules du fuseau.

a. Un attachement end-on correspond à une interaction dans laquelle l’extrémité (+) d’un microtubule est insérée directement dans l’interface d’attachement du kinétochore, principalement via le complexe NDC80, module du complexe KMN, permettant la transmission directe des forces de polymérisation/dépolymérisation (Lateral to End-on Conversion of Chromosome-Microtubule Attachment Requires Kinesins CENP-E and MCAK 2013).

Il s’oppose à l’attachement latéral, de nature transitoire, dans lequel le kinétochore interagit avec la paroi du microtubule via des moteurs moléculaires recrutés par la corona fibreuse, notamment la kinésine CENP-E et la dynéine, permettant un glissement exploratoire sans couplage à l’extrémité (+) ni génération de tension bipolaire stable.

b. L’attachement end-on permet :

• la transmission directe des forces de polymérisation/dépolymérisation,
• la génération de tension bipolaire ( forces dans le fuseau mitotique),
• la stabilisation des chromosomes sur la plaque métaphasique,
• la permissivité à la levée du point de contrôle du fuseau (SAC).

Remarque : La figure ci-dessous illustre la transition entre des attachements latéraux, dépendants de moteurs associés à la corona fibreuse (dynéine - Dynein Intermediate Chain - et adaptateurs tels que Nde1/Ndel1, kinésines chromosomiques comme KIF22/Kid), et des attachements end-on stables, médiés par le complexe Ndc80 et des complexes associés à la dépolymérisation des microtubules, tels que le complexe SKA (Lateral attachment of kinetochores to microtubules is enriched in prometaphase rosette and facilitates chromosome alignment and bi-orientation establishment 2018).

2. Le complexe SKA est un composant du kinétochore externe recruté de manière end-on et tension-dépendante, essentiel à la stabilisation des attachements kinétochore-microtubule en métaphase (Structural and Functional Organization of the Ska Complex, a Key Component of the Kinetochore-Microtubule Interface 2012).

• Ska1, Ska2 et Ska3 forment ensemble une structure stable capable de s’associer à la fois au réseau KMN et aux microtubules.
• Le recrutement du complexe SKA au kinétochore est dépendant du complexe Ndc80 qui permet à SKA de s’associer aux microtubules via des interfaces qui favorisent son accumulation le long des protofilaments.

a. Le complexe SKA est un hétérohexamère constitué de deux copies de trois sous-unités (Human Ska complex and Ndc80 complex interact to form a load-bearing assembly that strengthens kinetochore-microtubule attachments 2018).

• SKA1 contient un domaine de liaison aux microtubules (MTBD), qui contribue directement à la fixation du complexe SKA sur les microtubules dynamiques, y compris aux extrémités (+) (Structural basis for microtubule recognition by the human kinetochore Ska complex 2014).
• SKA3 possède une queue C-terminale disordonnée qui interagit avec les régions coiled-coil de chaque sous-unité du complexe NDC80, créant une liaison coopérative qui renforce l’interface kinétochore-microtubule.
• SKA2 est une sous-unité d’assemblage du complexe qui contribue à la stabilité de l’hétéro-oligomère et à son organisation correcte.

b. Le complexe SKA renforce la connexion entre le kinétochore et les extrémités des microtubules, en particulier lors de phases de dépolymérisation.

• 

  Il supporte des forces appliquées à l’extrémité des microtubules, ce qui renforce l’attachement de Ndc80 dans des conditions de tension mécanique.
• Il favorise le maintien du contact avec les microtubules en dépolymérisation, transformant ainsi les variations de longueur des microtubules en forces de traction que le kinétochore peut utiliser pour maintenir la tension.
• En coopérant avec Ndc80, SKA augmente la durée de vie des attachements end-on, réduisant les détachements intempestifs et contribuant à la précision de la bi-orientation.

Remarque : le facteur de licence de réplication Cdt1 possède également une fonction mitotique indépendante, en se liant au complexe Ndc80 et aux microtubules pour contribuer à la stabilisation des attachements end-on, dans le même contexte mécanique que le complexe SKA (Kinetochore-Microtubule Coupling Mechanisms Mediated by the Ska1 Complex and Cdt1 2021).

3. Le recrutement de SKA au kinétochore est régulé par Aurora B.

• Des niveaux élevés d’Aurora B en prométaphase empêchent l’accumulation précoce de SKA.
• La baisse de l’activité d’Aurora B en métaphase favorise sa localisation aux kinétochores avec tension établie (Mechanism of Ska Recruitment by Ndc80 Complexes to Kinetochores 2017).

Biorientation et positionnement équatorial des chromosomes

1. La biorientation correcte des kinétochores assure la stabilité mécanique des attachements ( fuseau en métaphase).

• Chaque paire de chromatides sœurs établit des attachements end-on stables avec des microtubules issus de pôles opposés, via le réseau KMN, ce qui limite les glissements latéraux et renforce la précision du positionnement.
• Cette configuration sous tension constitue le critère mécanique central distinguant les attachements corrects des attachements erronés encore susceptibles d’être dissociés, et conditionne la levée ultérieure du SAC.

2. La position équatoriale des chromosomes résulte d’un équilibre dynamique des forces au sein du fuseau par la combinaison de plusieurs forces.

a. Les forces de traction exercées par les microtubules kinétochoriens résultent principalement de la dépolymérisation de leur extrémité (+), transmises au kinétochore via les complexes d’attachement NDC80 et Ska ( attachements kinétochoriens).

b. Les forces de glissement générées par les microtubules polaires sont assurées principalement par la kinésine-5 (Eg5/KIF11) et soutenues par KIF15, avec une contribution indirecte des forces de traction exercées par la dynéine sur les microtubules astraux.

c. Les forces de poussée exercées sur les bras chromosomiques par certaines kinésines chromosomiques contribuent également à ce processus.

• KIF22 (Kid, kinésine-10) génère une force polaire d’éjection repoussant les chromosomes loin des pôles.

Cette force s’oppose à la traction kinétochorienne et contribue au centrage des chromosomes sur la plaque équatoriale, sans intervenir directement dans les attachements end-on des kinétochores.

• KIF4A (kinésine-4) n’induit pas une poussée supplémentaire mais module l’intensité et la distribution spatiale, de cette force d’éjection, en limitant les fluctuations excessives et en affinant la stabilité du positionnement métaphasique.

KIF4A intervient aussi comme régulateur de l’architecture de la zone médiane en limitant l’allongement excessif des microtubules dans la zone de chevauchement.

3. Une fois la biorientation correcte établie et la tension bipolaire stabilisée en métaphase, le fuseau mitotique quitte progressivement un état d’équilibre dédié au positionnement des chromosomes, préparant la transition vers les dynamiques d’écartement des pôles caractéristiques de l’anaphase.

Remarque : la dynamique des microtubules kinétochoriens est finement régulée par l’instabilité dynamique de leurs extrémités (+), permettant des cycles coordonnés de polymérisation et de dépolymérisation qui ajustent en permanence les forces exercées sur chaque chromosome et corrigent les fluctuations avant l’engagement de la séparation des chromatides.

Régulations moléculaires de la métaphase

1. Après réplication, lors de la phase S de l'interphase, un chromosome possède deux chromatides sœurs, mais un seul centromère.

• Ce centromère constitue une région spécialisée de la chromatine, sur laquelle se localise notamment Aurora B au sein du complexe CPC (Chromosomal Passenger Complex), et à partir de laquelle s’assemblent deux kinétochores opposés servant de sites d’attachement au fuseau mitotique.

Lors de la métaphase, la tension exercée par le fuseau étire la région centromérique sans la rompre.

• Les kinétochores s’éloignent l’un de l’autre tandis que le centromère demeure intact.
• Cette organisation permet la détection de la biorientation correcte des chromosomes avant la séparation effective des chromatides soeurs en anaphase.

2. La tension exercée sur les kinétochores module l’activité des kinases et stabilise les attachements.

a. La mise sous tension des chromatides sœurs réduit l’activité corrective d’Aurora B, positionnée au sein du centromère et sensible à l’absence de tension.

Lorsque la tension est suffisante, les substrats kinétochoriens s’éloignent du gradient d’Aurora B, ce qui limite la phosphorylation déstabilisante des composants du complexe KMN et stabilise les attachements microtubule-kinétochore.

b. Cette stabilisation mécanique constitue le signal principal permettant de distinguer les attachements corrects des attachements erronés encore susceptibles d’être dissociés.

Elle s’accompagne du recrutement préférentiel de complexes associés aux attachements stables, notamment le complexe Astrin-SKAP, qui s’accumule sur les kinétochores correctement attachés et sous tension et contribue à verrouiller les attachements end-on.

3. Les kinases Plk1 et Aurora A soutiennent la dynamique polaire et la stabilité du fuseau ( fuseau en métaphase).

• Aurora A agit principalement au niveau des pôles pour contrôler la dynamique des microtubules polaires et maintenir la symétrie du fuseau bipolaire.
• Plk1 renforce la maturation fonctionnelle des pôles, stabilise les interactions kinétochore-microtubule et contribue au maintien de l’architecture bipolaire indispensable à l’alignement équatorial.

4. L’activité résiduelle du point de contrôle du fuseau (SAC) vérifie en continu l’intégrité des attachements biorientés.

• Tant qu’un kinétochore demeure imparfaitement stabilisé ou insuffisamment tendu, le SAC maintient une production résiduelle de complexe MCC (Mitotic Checkpoint Complex), empêchant l’activation complète de l’APC/C^Cdc20.
• Cette surveillance moléculaire garantit que toute anomalie tardive d’attachement ou de tension soit immédiatement détectée, évitant une entrée prématurée en anaphase.

5. La levée du SAC autorise la transition métaphase-anaphase.

Lorsque l’ensemble des kinétochores présente des attachements biorientés stables et une tension homogène, la production de MCC cesse et Cdc20 est progressivement libéré.

Passage à l'anaphase

La transition vers l’anaphase débute lorsque l’APC/C^Cdc20 devient pleinement actif, déclenchant la dégradation de la sécurine et permettant l’activation de la séparase, ce qui conduit à la séparation synchronisée des chromatides sœurs.