Il convient de considérer séparément le cycle cellulaire des cellules eucaryotes (qui possède un noyau), auquel sera principalement consacrée cette page et des cellules procaryotes (bactéries et archées), mais aussi de distinguer entre le cycle cellulaire des cellules somatiques (la plupart des cellules qui composent un organbisme multicelluleire) et la division des cellules germinatives (cellules impliquées dans la reproduction) et qui est une étape du cycle de reproduction sexuée.

Les cellules somatiques suivent un cycle cellulaire classique divisé en interphase (G1, S, G2) et phase M (mitose et cytokinèse). Le cycle est rigoureusement contrôlé par des points de contrôle et régulé par des cyclines et des CDK pour assurer une division cellulaire précise et éviter les erreurs qui pourraient conduire à des maladies comme le cancer.

Le cycle des cellules somatiques

La durée du cycle cellulaire est très variable, même au sein des cellules d'un organisme individuel. Chez les humains, la fréquence du renouvellement cellulaire varie de quelques heures au début du développement embryonnaire à une moyenne de deux à cinq jours pour les cellules épithéliales, ou à une vie humaine entière. Il existe également une variation dans le temps qu'une cellule passe dans chaque phase du cycle cellulaire. 

L'interphase.
L'interphase est la phase la plus longue du cycle cellulaire. Pendant l'interphase, la cellule grandit, effectue ses fonctions normales et se prépare pour la division cellulaire.  cette phase est elle-même divisée en trois sous-phases :

G1 (gap 1 ou phase G1).
G signifie gap ou intervalle. La phase G1 (premier intervalle) est la phase de croissance cellulaire principale. C'est une phase très active au niveau biochimique. La cellule synthétise des protéines, des organites et augmente sa taille. Elle accumule les éléments constitutifs de l'ADN chromosomique et les protéines associées, ainsi que suffisamment de réserves d'énergie pour achever la tâche de réplication de chaque chromosome dans le noyau. Elle effectue ses fonctions spécifiques (par exemple, une cellule musculaire se contracte, une cellule nerveuse transmet des signaux). C'est aussi une phase de décision : la cellule évalue son environnement et décide si elle doit se diviser ou non. Si les conditions ne sont pas favorables, la cellule peut entrer dans une phase de repos appelée G0.Certaines cellules qui ne se divisent pas restent toujours en phase G0 (muscle cardiaque mature, neurones corticaux).

S (phase S ou phase de synthèse).
La phase S est la phase de réplication de l'ADN. Chaque chromosome est dupliqué, créant deux copies identiques appelées chromatides soeurs. L'ADN est maintenant doublé, prêt à être distribué aux deux cellules filles. Des protéines associées à l'ADN, les histones, sont également synthétisées. À ce stade, chaque chromosome est constitué de deux chromatides soeurs et est un chromosome dupliqué. Le centrosome est dupliqué pendant la phase S. Les deux centrosomes donneront naissance au fuseau mitotique, l'appareil qui orchestre le mouvement des chromosomes pendant la mitose.

G2 (gap 2 ou phase G2).
La phase G2 est une autre phase de croissance et de préparation à la division cellulaire. La cellule continue de grandir, synthétise les protéines nécessaires à la mitose (comme la tubuline pour le fuseau mitotique), et vérifie que la réplication de l'ADN s'est bien déroulée et que la cellule est prête à se diviser. Certains organites cellulaires sont dupliqués et le cytosquelette est démantelé pour fournir des ressources au fuseau mitotique.

La phase M (phase mitotique).
La phase M est la phase de division cellulaire proprement dite.  Elle est divisée en deux étapes principales : la première partie, la mitose, est la division du noyau et donc du matériel génétique (ADN); la deuxième appelée cytocinèse, correspond à la séparation physique des composants cytoplasmiques en deux cellules filles.

Mitose.
La mitose, qui voit la division du noyau et, partant, du matériel génétique (ADN), est composée de cinq étapes (prophase, prométaphase, métaphase, anaphase et télophase) : 

• Prophase. - Les chromosomes (composés de deux chromatides soeurs) se condensent et deviennent visibles. Le nucléole (structure à l'intérieur du noyau) disparaît. Le fuseau mitotique commence à se former à partir des centrosomes (organites situés près du noyau).
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Prophase. - Les chromosomes se condensent et deviennent visibles. Les fibres du fuseau mitotique émergent des centrosomes. L'enveloppe nucléaire se décompose. Les centrosomes se déplacent vers les pôles opposés.

• Prométaphase. - L'enveloppe nucléaire (membrane autour du noyau) se fragmente. Les chromosomes se fixent aux microtubules du fuseau mitotique par des structures appelées kinétochores. 
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Prométaphase. - Les chromosomes continuent de se condenser. Des kinétochores apparaissent au niveau des centromères. Des microtubules du fuseau mitotique se fixent aux kinétochores.

• Métaphase. - Les chromosomes se positionnent au centre de la cellule, sur la "plaque équatoriale" ou "plaque métaphasique". Ils sont alignés perpendiculairement aux pôles du fuseau mitotique. 
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Métaphase. - Les chromosomes sont alignés sur la plaque métaphasique. Chaque chromatide soeur est attachée à une fibre fusiforme provenant de pôles opposés.

• Anaphase. - Les chromatides soeurs de chaque chromosome se séparent et sont tirées vers les pôles opposés de la cellule par les microtubules du fuseau mitotique. Chaque chromatide soeur devient maintenant un chromosome fils indépendant. 
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Anaphase. - Les centromères se divisent en deux. Les chromatides soeurs (maintenant appelées chromosomes) sont attirées vers les pôles opposés. Certaines fibres fusiformes commencent à allonger la cellule.

• Télophase. - Les chromosomes fils atteignent les pôles opposés et commencent à se décondenser. L'enveloppe nucléaire se reforme autour de chaque lot de chromosomes, formant deux nouveaux noyaux. Le nucléole réapparaît. Le fuseau mitotique disparaît. 
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Télophase. - Les chromosomes arrivent aux pôles opposés et commencent leur décondensification.  Le matériau de l'enveloppe nucléaire entoure chaque ensemble de chromosomes. Le fuseau mitotique se décompose. Les fibres fusiformes continuent de repousser les pôles.

Chez les cellules végétales, la cytocinèse s'effectue différemment en raison de la présence de la paroi cellulaire rigide. Plutôt qu'un sillon de clivage, un phragmoplaste, ou plaque cellulaire, se forme entre les deux noyaux fils. Ce phragmoplaste est constitué de microtubules et de vésicules provenant de l'appareil de Golgi, qui apportent les matériaux nécessaires à la construction de la nouvelle paroi cellulaire. Progressivement, ces vésicules fusionnent pour former la plaque cellulaire, qui s'étend jusqu'à fusionner avec la paroi existante, séparant ainsi les deux cellules filles.
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Cytocinèse. - Dans les cellules animales, un sillon de clivage sépare les cellules filles. Dans les cellules végétales, une plaque cellulaire, précurseur de une nouvelle paroi cellulaire sépare les cellules filles. Source des illustrations : OpenStax; licence : Creative Commons.

Contrôle du cycle cellulaire.
Les erreurs de duplication ou de distribution des chromosomes entraînent des mutations qui peuvent être transmises à chaque nouvelle cellule produite à partir de la cellule anormale. Pour empêcher cela, le cycle cellulaire est finement régulé par des mécanismes de contrôle appelés points de contrôle ou checkpoints. Ces points de contrôle sont des moments où la progression est arrêtée si certaines conditions ne sont pas remplies. Ils assurent que l'ADN est correctement répliqué avant la mitose, que les chromosomes sont correctement attachés au fuseau mitotique avant la séparation des chromatides soeurs, ou encore que l'environnement cellulaire est favorable à la division. 

Point de contrôle G1.
Le pont de contrôle G1 (restriction point) décide si la cellule doit continuer dans le cycle cellulaire, entrer en phase G0 (repos) ou mourir (apoptose). Il dépend de signaux externes (nutriments disponibles, présence de facteurs de croissance) et de l'état de la cellule (taille, intégrité de l'ADN). Une cellule qui ne répond pas à toutes les exigences ne sera pas libérée dans la phase S.

Point de contrôle G2/M.
Le point de contrôle G2/M vérifie que la réplication de l'ADN est complète et correcte, qu'il n'y a pas de dommages à l'ADN post-réplication, et que l'environnement est favorable à la mitose. 

Point de contrôle du fuseau mitotique (M).
Le point de contrôle M s'assure que les kinétochores de chaque paire de chromatides soeurs sont seront pas fermement ancrés aux fibres fusiformes provenant des pôles opposés de la cellule. Tous les chromosomes doivent correctement attachés au fuseau mitotique avant l'anaphase, qui est une étape irréversible. 

Les régulateurs du cycle cellulaire.
En plus des points de contrôle contrôlés en interne, il existe deux groupes de molécules intracellulaires qui régulent le cycle cellulaire. Ces molécules régulatrices favorisent soit la progression de la cellule vers la phase suivante (régulation positive), soit interrompent le cycle (régulation négative). 

Les molécules régulatrices peuvent agir individuellement ou influencer l'activité ou la production d'autres protéines régulatrices. Il est donc possible que la défaillance d'un seul régulateur n'ait pratiquement aucun effet sur le cycle cellulaire, en particulier si plusieurs mécanismes contrôlent le même événement. Il est également possible que l'effet d'un régulateur déficient ou non fonctionnel soit de grande envergure et éventuellement fatal à la cellule si plusieurs processus sont affectés.

Régulation positive : cyclines et CDK.
La régulation postive du cycle cellulaire implique des protéines appelées cyclines et kinases dépendantes des cyclines (CDK). Ces régulateurs du cycle cellulaire garantissent que les différentes phases du cycle cellulaire se déroulent au bon moment et dans le bon ordre. Les cyclines agissent comme des "interrupteurs" cycliques qui activent les CDK à des moments spécifiques du cycle cellulaire. Les complexes cycline-CDK activés phosphorylent ensuite des protéines cibles essentielles pour orchestrer les événements de chaque phase du cycle cellulaire. 

Les cyclines sont une famille de protéines dont la concentration varie cycliquement au cours du cycle cellulaire. C'est cette fluctuation cyclique qui leur a donné leur nom. Différentes cyclines sont produites à différentes phases du cycle cellulaire. Chaque cycline est donc  généralement associée à une phase spécifique de ce cycle (G1, S, G2, M).

Les cyclines n'ont pas d'activité enzymatique par elles-mêmes. Leur rôle principal est de se lier aux CDK (kinases dépendantes des cyclines) et de les activer.  l'association d'une cycline spécifique avec une CDK spécifique forme un complexe CDK-cycline actif qui régule le passage d'une phase du cycle cellulaire à la suivante. Elles agissent donc comme des sous-unités régulatrices des CDK. Exemples :

• Cyclines D (D1, D2, D3). -  Importantes pour la progression à travers la phase G1 et l'entrée dans la phase S. Elles s'associent principalement aux CDK4 et CDK6 (CDK4/6).

• Cycline E. - Essentielle pour la transition G1/S et le démarrage de la réplication de l'ADN. Elle s'associe principalement à CDK2.

• Cycline A. - Impliquée dans la progression de la phase S et la phase G2. Elle s'associe à CDK2 (phase S) et CDK1 (phase G2/M).

• Cycline B. - Cruciale pour l'entrée et la progression dans la phase M (mitose). Elle s'associe principalement à CDK1 (également appelée CDC2 ou p34^cdc2).

Les CDK (= cyclin-dependent kinases ou kinases dépendantes des cyclines) sont une famille de kinases, c'est-à-dire des enzymes qui ajoutent des groupes phosphate (phosphorylation) à d'autres protéines. Cette phosphorylation peut modifier l'activité, la localisation ou l'interaction des protéines cibles. Leur activité est dépendante de la liaison aux cyclines, d'où leur nom. Ces protéines, par leur action catalytique, pilotent réellement la progression du cycle cellulaire. Elles sont responsables de la phosphorylation de nombreuses protéines cibles qui sont impliquées dans les différents événements du cycle cellulaire, comme : la réplication de l'ADN, la condensation des chromosomes, la formation du fuseau mitotique, la séparation des chromosomes, la cytocinèse.

Une CDK seule est généralement inactive ou très peu active. Pour devenir pleinement active, une CDK doit se lier à une cycline appropriée. La liaison à la cycline provoque un changement conformationnel dans la CDK qui la rend partiellement actif. L'activation complète nécessite souvent des phosphorylations supplémentaires et la déphosphorylation de sites inhibiteurs sur la CDK.

Régulation négative du cycle cellulaire.
Dans la régulation positive, des molécules actives telles que les complexes CDK/cycline font progresser le cycle cellulaire. Dans la régulation négative, les molécules actives arrêtent ou freinent le cycle cellulaire. La régulation négative assure que la division cellulaire ne se produise pas de manière incontrôlée ou inappropriée. 

Si l'ADN est endommagé, la régulation négative stoppe le cycle pour permettre la réparation de l'ADN avant la réplication et la division. Si l'environnement n'est pas favorable, la régulation négative empêche la cellule de se diviser, car elle n'aurait pas les ressources nécessaires pour les cellules filles. La cellule doit, par ailleurs, atteindre une taille minimale avant de se diviser. La régulation négative peut empêcher la division si la cellule est trop petite. Enfin, avant la division cellulaire, il est essentiel que les chromosomes soient correctement dupliqués et alignés. La régulation négative peut détecter des erreurs et arrêter le cycle.

• p53 (gardien du génome). - Est activée en cas de dommages à l'ADN. Elle peut induire l'arrêt du cycle cellulaire (pour permettre la réparation de l'ADN) ou, si les dommages sont trop importants, déclencher l'apoptose (mort cellulaire programmée). p53 active notamment la protéine p21.

• p21 (inhibiteur de CDK). -  Est induite par p53 et est un inhibiteur des kinases dépendantes des cyclines (CDK). En inhibant les CDK, p21 bloque la progression du cycle.

• Protéine du rétinoblastome (Rb). - Est un important régulateur du point de contrôle G1. Rb, sous sa forme hypophosphorylée (inactive), se lie au facteur de transcription E2F, qui est nécessaire pour l'expression des gènes impliqués dans la progression du cycle cellulaire. En séquestrant E2F, Rb empêche la progression du cycle. Lorsque Rb est phosphorylée (par les complexes Cycline-CDK activés par des signaux de croissance), elle se dissocie d'E2F, libérant E2F pour activer la transcription des gènes nécessaires à la progression du cycle.

Un dérèglement de la régulation négative peut conduire à une division cellulaire excessive et incontrôlée. La perte de fonction des gènes suppresseurs de tumeurs (comme p53, Rb, p21) ou le dérèglement des points de contrôle peut ainsi conduire à une division cellulaire incontrôlée et au développement de tumeurs cancéreuses. Les mécanismes de régulation négative agissent donc comme des suppresseurs de tumeurs.

Le cycle cellulaire des organismes unicellulaires

Chez la majorité des organismes unicellulaires, le cycle cellulaire est le mécanisme principal de reproduction asexuée. La division cellulaire produit des clones génétiquement identiques à la cellule mère (sauf en cas de mutations). Comparé aux cellules des organismes multicellulaires, le cycle cellulaire des unicellulaires peut être plus simple, surtout chez les procaryotes. Cependant, même chez les eucaryotes unicellulaires, le cycle est plus directement lié à la croissance et à la division de l'organisme entier.

Le cycle cellulaire des organismes unicellulaires est fortement influencé par les conditions environnementales. La disponibilité des nutriments, la température, le pH et d'autres facteurs peuvent réguler la vitesse du cycle cellulaire, voire l'arrêter complètement. 

De nombreux organismes unicellulaires, en particulier les bactéries, ont des cycles cellulaires très rapides (parfois moins de 20 minutes dans des conditions optimales), permettant une prolifération rapide et une adaptation rapide aux changements environnementaux. Les mutations qui surviennent pendant la réplication de l'ADN peuvent être rapidement propagées à travers les générations, permettant l'adaptation à de nouvelles niches écologiques.

Les étapes du cycle cellulaire.
Bien que les principes de base du cycle cellulaire soient conservés à travers les différents types d'organismes, il existe des particularités importantes chez les unicellulaires, notamment en termes de simplicité et de lien direct avec la survie et la reproduction.

Interphase.
L'interphase est la phase la plus longue du cycle cellulaire et elle, comme dans le cas des organismes pluricellulaires,  est divisée en trois sous-phases : G1 (phase de croissance cellulaire); S (phase de réplication de l'ADN); G2 (phase de préparation à la division cellulaire).

Phase M (mitose ou fission binaire).
C'est la phase de division cellulaire proprement dite. Le processus exact diffère selon le type d'organisme unicellulaire (eucaryote ou procaryote).

• Mitose. - Ches les organismes enicellulaires eucaryotes (levures, amibes, paramécies, etc.), la mitose, comme dans le cas des organismes pluricellulaires, est un processus qui sépare les chromatides soeurs répliquées en deux noyaux filles identiques. On y retrouve les les étapes de la division cellulaire déjà évoquées : prophase (condensation des chromosomes, formation du fuseau mitotique); métaphase (lignement des chromosomes à l'équateur de la cellule); anaphase (séparation des chromatides soeurs et migration vers les pôles opposés de la cellule);  télophase (décondensation des chromosomes, formation de deux nouveaux noyaux); et enfin cytokinèse (division du cytoplasme). 

 â€¢ Fission binaire. - Chez les organismes procaryotes (bactéries, archées), on observe le mécanisme de la fission binaire, qui est un un processus plus simple que la mitose. Ce processus permet à une cellule unique de se diviser en deux cellules filles génétiquement identiques à la cellule mère. Il débute par la réplication de l'ADN, au cours de laquelle la molécule d'ADN circulaire unique (chromosome bactérien) du procaryote est dupliqué. Une fois la réplication terminée, chaque copie de l'ADN se fixe à un point différent de la membrane plasmique. Ensuite, la cellule s'allonge progressivement, ce qui éloigne les deux copies d'ADN l'une de l'autre.

Un septum commence alors à se former au centre de la cellule, initié par des protéines spécialisées qui facilitent la constriction de la membrane plasmique et de la paroi cellulaire. Cette séparation se poursuit jusqu'à ce que la cellule mère soit complètement divisée en deux nouvelles cellules filles, chacune contenant une copie complète du matériel génétique. Le processus est rapide et efficace, permettant aux populations bactériennes de croître de manière exponentielle dans des conditions favorables.

La fission binaire est elle aussi régulée par des signaux internes et environnementaux, garantissant que la division cellulaire se produit lorsque les conditions sont optimales. Elle ne permet pas de diversité génétique par recombinaison, mais des mutations spontanées peuvent introduire des variations. De plus, des mécanismes comme la conjugaison, la transformation et la transduction permettent aux bactéries d'échanger du matériel génétique, compensant l'absence de reproduction sexuée.

La divison des cellules germinales

Méiose I
Prophase I.
Lors de cette étape, les chromosomes homologues (chromosomes appariés venant du père et de la mère) subissent la condensation et l'appariement. C'est également à ce moement que le phénomène de recombinaison génétique ou crossing-over se produit, entraînant un brassage du matériel génétique entre les chromosomes homologues.

Métaphase I.
C'est le moment où les paires de chromosomes homologues se placent sur la plaque équatoriale de la cellule.

Anaphase I. 
Etape pendant laquelle les chromosomes homologues sont séparés et tirés vers les pôles opposés de la cellule.

Télophase I. 
La méiose I se termine par la formation de deux cellules filles, chacune avec un ensemble haploïde de chromosomes. La cytocinèse divise le cytoplasme, créant deux cellules filles.

Méiose II.
Les étapes prophase II, métaphase II, anaphase II et télophase II sont similaires à celles de la mitose, mais cette fois-ci, les chromatides soeurs de chaque chromosome sont séparées. Cela aboutit à la formation de quatre cellules filles haploïdes ( = chacune avec la moitié du nombre de chromosomes de la cellule mère). Ces cellules deviennent les gamètes matures, prêtes pour la fécondation et la formation d'un nouvel individu diploïde avec un mélange génétique unique. chacune contenant un ensemble unique de chromosomes.