Lors de la méiose, les chromosomes homologues (paires de chromosomes qui ont la même structure et portent les mêmes types de gènes) se rassemblent et échangent des segments d'ADN, ce qui augmente la diversité génétique des cellules filles. Ensuite, les chromosomes se séparent et les cellules filles reçoivent un jeu complet de chromosomes, mais avec un nombre réduit de moitié par rapport à la cellule mère.

Les étapes de la méiose

Méiose I.
La méiose I se divise en plusieurs phases principales : la prophase I, qui est un grand remaniement chronosomique, la métaphase I, qui correspond à l'alignement des paires de chromosomes homologues, l'anaphase I, au cours de laquelle les homologues se séparent, et, enfin, la télophase I et la cytocinèse I, qui achèvent la division cellulaire avec la sépération des deux cellules filles haploïdes.

Chacune des cellules filles contient la moitié du nombre de chromosomes de la cellule mère. Cependant, chaque chromosome est encore dupliqué et consiste en deux chromatides soeurs. Ces cellules filles haploïdes sont maintenant prêtes à entrer dans la méiose II, où les chromatides soeurs seront séparées.

Prophase I.
La prophase I est la phase la plus longue et la plus complexe de la méiose I, et souvent de toute la méiose. Lors de cette étape, les chromosomes homologues subissent la condensation et l'appariement (synapsis). Le phénomène de recombinaison génétique (crossing-over) entraîne un brassage du matériel génétique entre les chromosomes homologues. La prophase I est  subdivisée en cinq sous-étapes :

• Leptotène. - Début de la condensation des chromosomes : la chromatine (ADN diffus) commence à se condenser et les chromosomes deviennent visibles au microscope optique comme de longs filaments fins. Attachement des extrémités des chromosomes (télomères) à l'enveloppe nucléaire.

• Zygotène. - L'appariement des chromosomes homologues est l'événement majeur de cette étape. Les chromosomes homologues se reconnaissent et s'apparient étroitement le long de leur longueur. Ce processus s'appelle la synapsis. Par ailleurs, une structure protéique, le complexe synaptonémal, se forme entre les chromosomes homologues appariés, stabilisant la synapsis. Le couple de chromosomes homologues appariés est appelé un bivalent ou une tétrade (car il est composé de quatre chromatides).

• Pachytène : crossing-over (recombinaison génétique). - L'échange de matériel génétique est l'événement le plus important de la prophase I en termes de diversité génétique. Des segments de chromatides non-soeurs (une chromatide du chromosome paternel et une chromatide du chromosome maternel au sein du bivalent) s'échangent. Les points d'échange où le crossing-over a eu lieu deviennent visibles sous forme de structures en forme de X appelées chiasmas. Les chiasmas maintiennent temporairement les chromosomes homologues ensemble. Les chromosomes sont complètement condensés.

• Diplotène. - Le complexe synaptonémal se désintègre, permettant aux chromosomes homologues de commencer à se séparer légèrement l'un de l'autre. Les chromosomes homologues restent cependant connectés au niveau des chiasmas. Les chiasmas deviennent plus visibles à mesure que les chromosomes homologues s'éloignent. Cette connexion via les chiasmas est essentielle pour la ségrégation correcte des chromosomes homologues lors de l'anaphase I. Une décondensation partielle des chromosomes est possible dans certaines espèces.

• Diakinèse. - Les chromosomes atteignent leur niveau de condensation maximal. Les chiasmas sont toujours présents, mais ils se déplacent vers les extrémités des chromosomes (terminalisation). L'enveloppe nucléaire se désintègre, libérant les chromosomes dans le cytoplasme. Les centrosomes migrent vers les pôles opposés de la cellule et commencent à former le fuseau méiotique, composé de microtubules. Attachement des microtubules du fuseau aux kinétochores des chromosomes. Les kinétochores (structures protéiques situées au niveau du centromère de chaque chromosome) se lient aux microtubules du fuseau méiotique.

Anaphase I.
Lors de l'anaphase I,  les chromosomes homologues sont séparés et tirés vers les pôles opposés de la cellule. Les microtubules du fuseau se raccourcissent, tirant les chromosomes homologues vers les pôles opposés de la cellule.  Contrairement à l'anaphase de la mitose, où les chromatides soeurs se séparent, lors de l'anaphase I, les chromatides soeurs de chaque chromosome restent attachées au niveau du centromère et se déplacent ensemble vers le même pôle. L'anaphase I est l'étape clé de la division réductionnelle. Au lieu de séparer les chromatides soeurs, la méiose I sépare les chromosomes homologues. Ainsi, chaque pôle reçoit un jeu haploïde de chromosomes, mais chaque chromosome est toujours composé de deux chromatides soeurs.

Télophase I et cytocinèse I.
La télophase I et la cytocinèse I achèvent la division cellulaire avec la formation de deux cellules filles distinctes après la division du cytoplasme, chacune avec un ensemble haploïde de chromosomes. 

• Lors de la télophase I, les chromosomes arrivent aux pôles opposés de la cellule. Les chromosomes peuvent se décondenser légèrement. L'enveloppe nucléaire peut se reformer autour de chaque jeu de chromosomes dans certaines espèces. Dans d'autres cas, la cellule passe directement à la méiose II sans reformer complètement l'enveloppe nucléaire.

• La cytocinèse I, qui est la division du cytoplasme, suit généralement la télophase I. Chez les cellules animales, cela se produit par la formation d'un sillon de division. Chez les cellules végétales, une plaque cellulaire se forme. La cytocinèse I aboutit à la formation de deux cellules filles. Chaque cellule fille est haploïde (n), ce qui signifie qu'elle contient la moitié du nombre de chromosomes de la cellule mère diploïde (2n). Cependant, on l'a dit, chaque chromosome est toujours constitué de deux chromatides soeurs.

Chaque cellule fille contient un ensemble haploïde de chromosomes non dupliqués. Ces cellules filles deviennent  les gamètes matures ou les spores, prêtes pour la fécondation (pour les gamètes) ou pour germer et former un nouvel organisme. La méiose II se divise en quatre phases principales, similaires à celles de la mitose, mais se déroulent dans des cellules haploïdes :

Prophase II.
Les chromosomes, qui s'étaient légèrement décondensés après la méiose I, se condensent à nouveau lors de la prophase II. Ils sont toujours constitués de deux chromatides soeurs attachées au niveau du centromère. L'enveloppe nucléaire (si elle s'était reformée) se fragmente et disparaît à nouveau. Le centrosome (qui s'est dupliqué pendant l'interphase précédant la méiose I) se divise et les deux centrosomes migrent vers les pôles opposés de la cellule. Le fuseau mitotique commence à se former à partir des microtubules.

La prophase II est généralement plus courte et moins complexe que la prophase I. La prophase II se déroule dans des cellules déjà haploïdes (résultat de la méiose I), contrairement à la prophase I qui se déroulait dans une cellule diploïde. Il n'y a pas de crossing-over lors de la prophase II, contrairement à ce qu'on observe lors de la prophase I. 

Lors de la métaphase II, ce sont des chromosomes individuels dupliqués (chromatides soeurs) qui s'alignent sur la plaque équatoriale, contrairement à la métaphase I où c'étaient des paires de chromosomes homologues. Cette fois, les chromosomes sont alignés en ligne unique sur la plaque équatoriale, comme lors de la métaphase de la mitose.

Contrairement à ce qu'on observe lors de l'anaphase I, où ce sont les chromosomes homologues qui se séparent, lors de l'anaphase II, ce sont les chromatides soeurs qui se séparent. À la fin de l'anaphase II, chaque pôle de la cellule contient un ensemble haploïde de chromosomes non dupliqués (car les chromatides soeurs ont été séparées et sont devenues des chromosomes individuels). 

Biochimie de la méiose

Réplication de l'ADN et réparation.
Comme pour la mitose, la méiose est précédée d'une phase S où l'ADN est répliqué. Cela garantit que chaque chromosome est constitué de deux chromatides soeurs avant le début de la méiose I. Les mécanismes de réplication (ADN polymérases, hélicases, ligases, etc.) sont similaires à ceux de la réplication mitotique. La méiose est un moment clé pour la réparation de l'ADN. Des mécanismes de réparation, notamment la réparation des cassures double-brin (DSB), sont particulièrement actifs, car les DSB sont induites (non-accidentellement) pendant la méiose pour initier la recombinaison homologue.

Condensation et dynamique chromosomique.
Les chromosomes doivent se condenser pour être manipulés efficacement pendant la division cellulaire. Les condensines, des complexes protéiques, jouent un rôle décisif dans la condensation des chromosomes en boucles compactes.

Les cohésines sont des complexes protéiques qui maintiennent les chromatides soeurs ensemble après la réplication de l'ADN. La régulation de la cohésine est importante pour la ségrégation correcte des chromosomes en méiose I et II. Lors de la méiose I, la cohésine est protégée autour du centromère par la shugoshine, permettant aux chromatides soeurs de rester ensemble pendant la séparation des chromosomes homologues. Pendant la méiose II, la cohésine centromérique est libérée, ce qui permet la séparation des chromatides soeurs.

Un aspect propre à la méiose I est la synapsis, l'appariement étroit des chromosomes homologues. Le complexe synaptonémal (CS) est une structure protéique qui s'assemble entre les chromosomes homologues appariés, stabilisant la synapsis et facilitant la recombinaison homologue. La formation et la dégradation du CS sont des processus biochimiques complexes impliquant diverses protéines.

Recombinaison homologue (crossing-over).
La recombinaison homologue commence par l'induction intentionnelle de cassures double-brin (DSB) dans l'ADN par l'enzyme Spo11. Spo11 est une topoisomérase de type II qui introduit des DSB ciblées dans le génome.Les extrémités des DSB sont traitées par des nucléases et des hélicases pour générer des extrémités 3' simple brin. Le complexe MRN (Mre11-Rad50-Nbs1) et d'autres enzymes sont impliqués dans ce processus.

L'extrémité 3' simple brin recherche une séquence homologue sur le chromosome homologue non-soeur. Les protéines Rad51 et Dmc1 (spécifique à la méiose) sont impliquées dans cette recherche d'homologie et l'invasion de brin, où le brin simple brin s'insère dans l'ADN double brin homologue.

Différentes voies de résolution des intermédiaires de recombinaison existent, conduisant soit à des crossing-over (recombinaison réciproque avec échange de matériel génétique) soit à des non-crossing-over (recombinaison sans échange). Les résolvases et les ligases sont impliquées dans la résolution et la ligation des brins d'ADN.

Les crossing-over physiques entre les chromosomes homologues se manifestent visuellement sous forme de chiasmas. Les chiasmas sont essentiels pour la cohésion des chromosomes homologues et leur ségrégation correcte en méiose I.

Dynamique du fuseau méiotique et moteurs moléculaires.
Le fuseau méiotique est une structure microtubulaire dynamique qui sépare les chromosomes. Il est composé de tubuline et organisé par les centrosomes (ou centres organisateurs de microtubules dans les cellules végétales et les ovocytes de mammifères).

Les kinésines et les dynéines sont des moteurs moléculaires qui se déplacent le long des microtubules et génèrent les forces nécessaires pour le mouvement et la ségrégation des chromosomes. Différents types de moteurs sont impliqués à différentes étapes de la méiose.

Les microtubules du fuseau méiotique s'attachent aux kinétochores, des structures protéiques situées sur les centromères des chromosomes. Cet attachement est important pour la ségrégation correcte des chromosomes. Le point de contrôle de l'assemblage du fuseau (spindle assembly checkpoint ou SAC), surveille cet attachement et bloque la progression de la méiose si des erreurs sont détectées.

Régulation du cycle cellulaire méiotique.
Le cycle cellulaire méiotique est contrôlé par des cyclines et des CDK (kinases dépendantes des cyclines). Différents complexes cycline-CDK sont actifs à différentes phases de la méiose, régulant la progression à travers les étapes G1, S, M (méiose I et méiose II). Les pphosphatases jouent également un rôle important en déphosphorylant les substrats des CDK.

Outre le SAC, d'autres points de contrôle existent pour surveiller l'intégrité de l'ADN et la progression de la recombinaison. Ces points de contrôle assurent que la méiose ne progresse pas si des problèmes surviennent, garantissant la production de gamètes génétiquement stables.

L'expression de nombreux gènes impliqués dans la méiose est finement régulée aux niveaux transcriptionnel et traductionnel. Des facteurs de transcription spécifiques à la méiose et des mécanismes de contrôle de la traduction sont impliqués.

Énergie et métabolisme.
La méiose est un processus énergivore qui nécessite de l'ATP (adénosine triphosphate) et de la GTP (guanosine triphosphate) pour alimenter les réactions biochimiques et les mouvements cellulaires. La phosphorylation et la déphosphorylation de protéines, qui sont des mécanismes de régulation clés, consomment également de l'ATP. Le métabolisme cellulaire général est essentiel pour fournir l'énergie et les précurseurs nécessaires à la méiose.

Protéolyse et ubiquitination.
L'APC/C (complexe promoteur de l'anaphase / cyclosome) est un complexe ubiquitine ligase important pour la progression de la méiose. Il cible des protéines pour la dégradation par le protéasome, notamment la sécurine (permettant la séparation des chromatides soeurs en méiose II) et les cyclines (régulant la sortie de la métaphase et l'entrée en anaphase). L'ubiquitination et la dégradation de protéines par le protéasome sont des mécanismes de régulation essentiels pour contrôler l'abondance et l'activité de nombreuses protéines méiotiques à des moments spécifiques du processus.