description
Biologie cellulaire
Membrane plasmique Transports membranaire Processus de reconnaissance et d'adhesion intercellulaire Matrice extracellulaire
Cytosquelette Reticulum endoplasmique Appareil de golgi Lysosomes
Peroxysomes Devenir des proteines cellulaires Communications et signaux intercellulaires Mitochondries

 

Biologie moléculaire
Techniques d'etude de l'architecture du noyau Chromatine Noyau interphasique Organisation moleculaire du genome
Genes Enveloppe et pore nucleaire Replication de l'A.D.N. des cellules eucaryotes Transcription chez les eucaryotes
Cycle cellulaire Apoptose / Necrose Theorie cellulaire procaryotes et eucaryotes  

 

La chromatine

 

   I. Introduction

Dans les cellules eucaryotes, le matériel génétique est organisé en une structure complexe constituée d'ADN et de protéines et il est localisé dans un compartiment spécialisé, le noyau. Cette structure a été baptisée chromatine. Environ deux mètres d'ADN dans chaque cellule doivent être contenus dans un noyau de quelques microns de diamètre et d'un volume d'environ 50 µm³. En plus de cet énorme degré de compaction (400 000 fois), l'ADN doit être rapidement accessible afin de permettre son interaction avec les machineries protéiques régulant les fonctions de la chromatine (la réplication, la transcription, la réparation et la recombinaison). L'organisation dynamique de la structure chromatinienne influence, potentiellement, toutes les fonctions du génome.

L'unité fondamentale de la chromatine est appelée le nucléosome qui est composé d'ADN et d'histones. Il constitue le premier niveau de compaction de l'ADN dans la noyau. Cette structure est ensuite régulièrement répétée pour former le nucléofilament qui peut, lui-même, adopter des niveaux d'organisation plus compacts. Le niveau de condensation le plus élevé étant au sein du chromosome métaphasique (10 000 fois pour chaque chromatides). Au sein du noyau interphasique, la chromatine est organisée en territoires fonctionnels.

En fonction de caractères morphologiques (en microscopie électronique notamment) et de propriétés fonctionnelles la chromatine a été divisée en :

L'hétérochromatine a été définie comme une structure qui ne change pas d'état de condensation au cours du cycle cellulaire tandis que l'euchromatine apparaît décondensée pendant l'interphase. L'hétérochromatine est localisée principalement en périphérie du noyau et du nucléole tandis que l'euchromatine est répartie à l'intérieur du nucléoplasme.

On distingue :

 

   II. Le nucléosome

La digestion partielle de l'ADN organisé en chromatine par la DNASE génère des ragments de 180 à 200 pb, caractérisés par des images en "échelle" après migration électrophorétique. La régularité de cette structure a été ensuite confirmée par analyse en microscopie électronique révélant une chromatine constituée de particules régulièrement espacées, dont l'aspect rappelle celui d'un "collier de perles". La stoechiométrie ADN-histones est de 1/1 en masse.

Le nucléosome est l'unité fondamentale de la chromatine. Il est composé de :

La particule coeur, dont la structure est très conservée parmi les espèces, est composée de 146pb d'ADN enroulés selon une hélice à pas lévogyre d'environ 1,7 tour autour d'un octamère protéique comprenant deux exemplaires de chacune des histones H3, H4, H2A, H2B. Cet octamère forme un complexe cylindrique d'un diamètre de 700 nm et d'une hauteur de 550 nm. La longueur de la région d'ADN internucléosomale est variable. C'est au niveau de cette région que l'histone internucléosomale H1 est insérée entre les brins d'ADN entrant et sortant du nucléosome sur une longueur de 20 nucléotides. La longueur total d'ADN mobilisée par les histones est donc de 146 + 20 = 166 pb. Les interactions histone/ADN et histones/histones en contrôlant le remodelage de la chromatine jouent un rôle clef dans la régulation du génome.

   III. Les histones

      A. Les histones de la particule coeur

Les histones de la particule coeur, H3, H4, H2A, H2B sont de petites protéines basiques de 100 à 200 acides aminés, dont il existe environ 60 millions de molécules par cellule, très conservées au cours de l'évolution. La région la plus conservée de ces histones est leur domaine central structuré composé du "motif histone" qui comprend trois hélices séparées par deux boucles. En revanche, les extrémités N-terminales de ces histones sont plus variables et sont dépourvues de structure secondaire. Ces extrémités sont particulièrement riches en résidus lysine et arginine et donc très basiques. Elles sont la cible de nombreuses modifications post-traductionnelles pouvant affecter leurs charges mais aussi l'accessibilité à l'ADN et les interactions protéines/protéines avec le nucléosome.

      B. Les histones internucléosomales

Les histones internucléosomales sont les protéines qui s'associent à la région d'ADN de liaison entre deux nucléosomes. Contrairement aux histones de la particule coeur, elles sont peu conservées parmi les espèces. Chez les eucaryotes supérieurs, elles sont représentées par l'Histone H1 composée de trois domaines : un domaine globulaire central non polaire, essentiel pour les interactions avec l'ADN, et deux extrémités N- et C- terminales non structurés, hautement basiques, et soumises à des modifications post-traductionnelles à type d'acétylation, méthylation ou phosphorylation. L'histone H1 jouerait un rôle dans l'espacement des unités nucléosomales et dans la compaction de l'ADN au sein du nucléosome en créant une région d'interaction entre les nucléosomes adjacents.

 

   IV. Les facteurs de remodelage et modification des histones

Plusieurs systèmes peuvent affecter la chromatine en induisant des changements conformationnels au sein du nucléosome mais aussi au niveau de larges domaines de chromatine. Ces facteurs sont de deux types : les premiers nécessitent de l'énergie sous forme d'ATP et sont généralement appelés facteurs de remodelage de la chromatine, et les seconds sont des enzymes qui modifient les histones.

      A. Facteurs de remodelage : ce sont des complexes multiprotéiques capables de modifier la structure nucléosomale, en partie grâce à l'énergie libérée par l'hydrolyse de l'ATP. Ces facteurs favorisent un espacement régulier des nucléosomesnpendant l'assemblage de la chromatine et sont capables de faire "glisser" des nucléosomes sur de l'ADN dans les régions transcrites ou lors de la réplication.

      B. Modifications post-traductionnelle : les extrémitées N-terminales non structurées des histones pointent à l'extérieur de la particule nucléosomale coeur et sont la cible d'enzymes qui les modifient. Les modifications des extrémités N-terminales des histones en modifiant leurs interactions avec l'ADN contrôlent le niveau de condensation des nucléosomes et l'accessibilité de l'ADN aux facteurs de transcription, donc l'expression des gènes.

Un rôle particulièrement important est joué par l'acétylation sur les résidus de lysine, qui en neutralisant les charges positives des extrémités N-terminales des histones du "coeur" (surtout H3 et H4) induit la relaxation de la chromatine.

L'état d'acétylation résulte d'un équilibre entre deux activités antagonistes : l'activité histone-actéyltransférase (HAT) et l'activité histone-désacétylase (HDAC). De nombreuses protéines jouant un rôle dans la régulation de la transcription ont une activité histone-actéyltransférase. De même, des histones joue aussi un rôle fonctionnel important. Une méthyltransférase méthyle spécifiquement H3 dans l'hétérochromatine.

En plus des altérations produites dans la charge totale des extrémités des histones proposées qui favorise la déstabilisation physique du nucléosome, ces modifications semblent également donner moduler les interactions protéines-histones. Elles sont associées à différentes régions du génome et ont été corrélées avec des fonctions nucléaires précises. Ainsi est apparue l'hypothèse du "code histone" selon laquelle l'expression des gènes seraient dépendante des signaux que constituent les différentes modifications chimiques des histones lues par les complexes de transcription.

   V. Les niveaux supérieurs de l'organisation de la chromatine

L'assemblage de l'ADN en chromatine comprend plusieurs étapes qui commencent par la formation de son unité fondamentale, le nucléosome, et finissent par des niveaux d'organisation supérieurs en domaines spécifiques dans le noyau.

La première étape comprend la mise en place sur l'ADN, d'un tétramère d'histones (H3-H4)2 nouvellement synthétisées et modifiées formant la particule sub-nucléosomale, à laquelle viennent s'adjoindre deux dimères H2A-H2B. L'étape suivante est une étape de maturation récessitant la présence d'ATP, au cours de laquelle les nucléosomes sont régulièrement espacés et forment le nucléofilament. Pendant l'étape de maturation, sont également incorporées des protéines chromatiniennes non-histones appelées HMG (High Mobility Group). Ensuite l'incorporation des histones internucléosomales est accompagnée par le repliement du nucléofilament sous forme d'un solénoïde de 30 nm de diamètre. Ce solénoïde comprend 6 nucléosomes par tour, soit environ 1 Kb d'ADN et assure une compaction de l'ordre de 200. Les niveaux supérieurs d'organisation de la chromatine doivent rendre compte de l'échelle à laquelle se déroulent les évènements génomiques, soit des domaines fonctionnels de plusieurs centaines de Kb à 1 Mb, dont les bandes chromosomiques représentant plusieurs Mb forment le niveau de condensation ultime. Aucun modèle indiscutable de cette organisation n'est actuellement disponible. Deux sont proposés : celui des "boucles géantes aléatoires" (la chromatine y formerait des boucles se repliant en écheveaux successifs), et celui "des sous-unités radiaires". Selon ce dernier modèle (le plus probable), le solénoïde se replie en boucles formant des rosettes dont le centre est occupé par un élément de la matrice protéique du nucléosquelette. Chaque rosette comprend 10 boucles d'une longueur de 100 Kb correspondant à une unité fonctionnelle de transcription et de réplication de 1 Mb. La fibre formée par l'empilement de ces sous-unités a un diamètre de 250 à 300 nm. La condensation et le repliement de cette fibre permettent de passer à la chromatides des chromosomes mitotiques de 700 nm, et aux bandes chromosomiques regroupant environ 5 à 10 Mb (soit 5 à 10 sous-unités).

 

   VI. Les bandes chromosomiques

En interphase, l'organisation du génome est relié à la structure des chromosomes dont les différentes régions organisées en bandes peuvent être visualisées au microscope après coloration par le colorant de Giemsa précédée d'une dénaturation de la préparation chromosomique par la chaleur en tampon salin (bandes R et T), ou une enzyme protéolytique comme la trypsine (bandes G et C). Ces bandes qui peuvent être également visualisées par différentes techniques de coloration mises au point dans las années 1970, forment des systèmes de marquages transversaux spécifiques de chaque chromosome qui sont couramment utilisés en  cytogénétique pour établir le caryotype. Elles correspondent à des niveaux de condensation croissant de la chromatine du début de la mitose (prophase) à la métaphase. Les chromosomes métaphasiques comportent environ 850 bandes qui résultent de la condensation d'environ 2000 sous bandes visibles en prophase.

Les bandes R et G définissent un système de marquage complémentaire en miroir : les bandes qui apparaissent foncées après coloration par le Giemsa dans le système R (bandes R+), apparaissent pales dans le système G (bandes G-), et réciproquement (bandes G+ et R-). Ces propriétés dont les mécanismes moléculaires sont encore discutés traduisent une organisation fondamentale du génome en deux compartiment majeurs appelés isochores, apparue au cours de l'évolution chez les vertébrés à sang chaud. Le génome est donc organisé en une mosaïque de segments homogène de plusieurs centaines de milliers de nucléotides.

L'isochore R :

L'isochore G :