Biologie Cellulaire: Le Noyau

• Biologie cellulaire : Noyau

Les éléments structurant

• L'enveloppe nucléaire est composée de deux membranes
• Membrane nucléaire externe (versant cytoplasmique)
• Membrane nucléaire interne (versant nucléoplasmique)
• Pores nucléaires permettant les échanges entre le noyau et le cytoplasme
• La lamina nucléaire tapisse la membrane nucléaire interne
• La chromatine est une association d'ADN avec des protéines, dont les histones
• Le nucléole intervient dans la synthèse des ribosomes

Rôles et caractères généraux

• Le noyau occupe en moyenne 10% du volume cellulaire total
• Le rapport nucléo-cytoplasmique indique le volume du noyau par rapport au cytoplasme
• Plus le rapport est proche de 1, plus le noyau est volumineux.
• L'ADN d'une cellule est répartie entre le noyau (quasi-totalité) et la mitochondrie (ADN mitochondrial)
• Les cellules eucaryotes possèdent un noyau et un cytosquelette, contrairement aux procaryotes où l'ADN est libre dans le cytoplasme

Enveloppe nucléaire

• L'enveloppe nucléaire délimite le nucléoplasme et est formée de deux membranes concentriques (interne et externe)
• Le nucléoplasme est un compartiment partiellement clos
• Des zones d'assemblage existent entre la membrane externe et interne
• Les pores nucléaires permettent le trafic nucléo-cytoplasmique de manière finement régulée dans les deux sens
• L'espace périnucléaire est en continuité avec la lumière du réticulum endoplasmique (RE)
• Les filaments intermédiaires du cytosquelette sont impliqués dans la protection du noyau
• La lamina nucléaire (ou nucléocortex) maintient la forme du noyau et est liée à la membrane externe via des protéines d'ancrage transmembranaires

Rôles principaux du noyau

• Le noyau protège l'ADN des mouvements du cytosquelette
• Le noyau permet l'épissage et la maturation de l'ARN
• Chez les bactéries, ADN est transcrit et traduit simultanément dans le cytoplasme
• Chez les eucaryotes, l'ADN est transcrit dans le noyau puis traduit dans le cytoplasme de manière séquentielle
• L'épissage alternatif permet l'obtention de protéines différentes à partir d'un même gène, grâce à l'intervention de ribonucléoprotéines (RNP)

Contenu du nucléoplasme

• La chromatine se présente sous deux niveaux de compaction
• L'hétérochromatine, très compacte et dense aux électrons
• L'euchromatine, moins dense et claire aux électrons
• Le nucléole est une zone dense aux électrons, non délimitée par une membrane

Noyau unique sauf exceptions

• Certaines cellules perdent leur noyau durant leur maturation
• L'érythroblaste expulse son noyau pour former l'hématie (globule rouge) spécialisée sans noyau ni organites.
• Les hépatocytes du foie sont des cellules binucléées
• Des cellules géantes multinucléées résultent de la fusion de membranes plasmiques, formant un syncitium
• Des syncytia peuvent se former lors d'infections virales (ex: VIH)

Enveloppe nucléaire (Membrane externe)

• La membrane externe est en continuité avec le réticulum endoplasmique et présente des similitudes biochimiques
• Elle est parsemée de ribosomes sur sa face cytosolique et contient des protéines transmembranaires, notamment enzymatiques

Enveloppe nucléaire (Membrane interne)

• La membrane interne diffère de l'externe par l'absence de protéines enzymatiques et ribosomes
• Elle contient des protéines transmembranaires qui servent de récepteurs aux lamines et aux histones
• Il existe un lien structural entre la chromatine et l'enveloppe nucléaire

Nucléosquelette ou lamina nucléaire

• Il s'agit d'un réseau de protéines en mailles carrées, couvrant la face nucléoplasmique de la membrane interne, sauf au niveau des pores nucléaires
• Il est constitué de 3 types de lamines (A, B, C), les lamines A et C étant proches car issues de l'épissage alternatif du même gène
• Les lamines appartiennent à la famille des filaments intermédiaires mais en diffèrent largement

Comparaison lamina nucléaire et filaments intermédiaires

• La lamina nucléaire forme un réseau bidimensionnel en maille carrée (2D)
• Les filaments intermédiaires forment un réseau tridimensionnel
• La lamina nucléaire possède un domaine central plus long et une séquence NLS permettant d'emprunter le pore nucléaire
• La lamina nucléaire est dynamique (phosphorylation/déphosphorylation des lamines), contrairement aux filaments intermédiaires qui sont statiques

Réseau dynamique de la lamina nucléaire

• Au début de la mitose (prophase), la phosphorylation des sérines dans la séquence des lamines entraîne une perte d'affinité et une déstabilisation du réseau
• L'enveloppe nucléaire se fragmente en petites vésicules avec certaines lamines solubilisées et d'autres associées aux fragments d'enveloppe avec les pores
• En fin de mitose (télophase), la déphosphorylation des lamines restaure leur affinité et permet le réassemblage en réseau par fusion des vésicules de l'enveloppe nucléaire
• Une enveloppe nucléaire se forme pour chaque cellule fille
• Les protéines non fixées sur les chromosomes doivent regagner le nucléoplasme par les pores nucléaires

Application clinique : laminopathies

• Les laminopathies sont des maladies causées par le dysfonctionnement des lamines
• Maladie rare : touche environ 1 enfant sur 6 millions de naissances
• La progéria, caractérisée par un vieillissement précoce (10 fois plus rapide que la normale) avec une espérance de vie d'environ 13 ans

Pores nucléaires

• 3 000 à 4 000 pores par noyau (environ 1/3 de la surface)
• Le nombre de pores varie selon le degré d'activité de la cellule et son taux de synthèse protéique
• Les pores sont constitués d'une centaine de nucléoporines disposées selon une symétrie octogonale
• Les éléments principaux des pores nucléaires sont des sous-unités en colonne, sous-unités annulaires et des protéines transmembranaires reliant l'enveloppe
• Autres protéines sur les faces cytosolique et nucléoplasmique, formant une cage nucléaire, et d'autres obstruant la lumière du pore

Visualisation des pores nucléaires

• La modélisation informatique de la structure des pores se base sur l'étude de pores purifiés par éclatement des cellules au détergent
• En MEB, ils sont visualisés sur des coupes longitudinales et axiales
• Il est très difficile de représenter les protéines situées au centre du pore, du fait de leur perte lors de la purification.

Trafic nucléo-cytoplasmique

• Les pores nucléaires permettent le passage des molécules hydrosolubles, quel que soit leur nature (petites protéines, nucléotides, ions) si leur poids moléculaire est inférieur à 40 kDa
• L'espace libre pour le passage est de 9 nm
• Plus la molécule est grosse, moins l'équilibre cytoplasme-noyau est rapide
• Les protéines avec une fonction nucléaire importante possèdent un mécanisme d'importation spécifique via une séquence de localisation nucléaire (NLS)
• L'importation des protéines est très rapide, quel que soit leur poids
• Durant la réplication cellulaire, une centaine d'histones traversent le pore par minute

Importation des protéines dans le noyau

• La séquence NLS est présente n'importe où dans la séquence en acide aminé de la protéine à destinée nucléaire et est riche en lysine et en arginine
• L'importine, une protéine cytosolique, reconnaît la séquence NLS et dirige la protéine vers le pore nucléaire
• Une sous-unité de l'importine reconnaît le NLS et une autre se lie aux éléments fibrillaires du pore
• L'hétérodimère importine est formé de deux sous unités
• L'existence de différentes importines permet l'importation d'une protéine spécifique à destinée nucléaire

Mécanisme d'importation des protéines nucléaires

• Antigène T, une proteine issue du virus SV40, de poids moléculaire 90kD, nécéssite un signal NLS
• Le séquençage de l'Ag T a permis d'identifier la séquence NLS
• Le fait qu'une mutation empêche la pénétration de l'AgT a permis de démontrer l'importance du NLS
• Les billes d'or, en temps normal ne peuvent pas diffuser à travers le pore
• En présence du signal NLS, les billes d'or sont transférées dans le noyau

Différentes étapes de l'importation

• Reconnaissance du signal NLS de la protéine par l'importine, suivie de la fixation
• L'importine dirige la protéine vers le pore, où elle se lie sur les éléments fibrillaires
• Les fibrilles guident le complexe importine-protéine vers le centre du pore.
• Passage de la protéine à NLS à travers le pore nucléaire, avec évacuation transitoire des protéines obstruant le centre, et nécessitant du GTP
• Les protéines traversant le pore peuvent revenir grâce au signale NLS
• Recyclage de l'importine dans le cytoplasme et Fermeture du Pore

Acides nucléiques ADN

• Ce sont des polymères de désoxyribonucléotides comportant un pentose (désoxyribose), un phosphate et une base (adénine, thymine, guanine, cytosine)
• Squelette pentose-phosphate chargé négativement

Extrémités et chaîne

• 2 extrémités (5' avec phosphate terminal et 3' avec pentose terminal)
• 2 brins antiparallèles et complémentaires
• Structure maintenue par liaisons hydrogènes

Réplication

• Duplication via ADN polymérase, lien à un brin et copie à l'identique
• On obtient 2 brins ADN parental et répliqué et un partage équitable entre les cellules filles au cours de la mitose
• Ceci ce passe durant la phase S du cycle cellulaire

Rappels ARN

• Polymère de ribonucléotides avec pentose (ribose), phosphate et une base (adénine, uracile, guanine, cytosine)
• Molécule monocaténaire simple brin, avec repli et appariemments internes
• Types de ARN: ARNm messager, ARNt et ARNr de transfert, petits ARN minoritaires

Rappels gène

• C'est une séquence de bases présente dans un segment d'ADN code pour protéines
• L'intron est une séquence non codante et l'exon est une séquence codante
• L'ARN est copié sur toute sa longueur avec un ARNpm pré-messager puis excision des introns
• Il y a enfin épissage et l'excision sélective de certains exons pour différentes protéines

Rappels Génome

• Le génome contient 3.10^9 paires de bases pour 2 chromosomes:
• 22 autosomes communs aux deux sexes
• 2 gonosomes différents pour les sexes
• L'organisme est diploïde avec 46 chromosomes au total
• En interphase ils sont sous forme de chromatine

ADN Génome

• 2% ADN code pour des protéines 20.000-25.000 gènes
• Responsables du codage de 100.000 protéines grâce à l'épissage alternatif
• ADN non codant 98% avec des introns, des séquences répétées, etc...
• 1% de différence entre le génome du chimpanzé et l'humain

Protéines fixées à l'ADN (Histones)

• Spécifiques de l'ADN nucléaire des cellules eucaryotes
• Charge positif Lysine et Arginine ce qui permet la fixation sur la squelette négatif de l'ADN
• Fixation non spécifique
• 2 types d’histones nucléosomiques H2A, H2B, H3 et H4
• Moins de 2 acides aminés différents sur 100 entre les histones humaines et végétales
• 2 copies de chaque histone et associent pour former un octamère, composant le noyau.
• Les histones H1 sont moins conserves et régulent le compactage de l'ADN
• Compaction d'une molecule, assuerent le repliement des certaine zones

Protéines fixées à l'ADN (Non Histones)

• Présentes en moindre quantité 1 pour 1500 Histones
• Majoritairement impliquées dans la régulation de la transcription et de la réplication
• Quelques protéines structurales Se rapprochent des histones

Niveaux de condensation de FIBRE CHROMATINIENNE

• Il existe différents niveaux de condensation de la fibre chromatinienne
• Du double hélice d'ADN 2nm à chromatine en collier de perles 11nm puis l'euchromatine 300 nm et l’ chromosome Métaphase 1400nm

Organisation Chromatine et Structure

• 1er niveau : Filament d'ADN de 2 nm de diamètre qui s'enroule et contient L'octamère d'histones nucléosomiques.
• Cela Forme une Structure en collier de perles en MET
• Longueur variable entre 0 et 80 pdb

Organisation fibre chromatinienne

• En coupe Solénoïde de 30 nm est compacete et contient H1 en grande quantité
• On retrouve aussi certaines protéines non histones pour une meilleure régulation

Organisation 3ème au 4ème Niveau

• Au Niveau du chromosome il y a soit l’euchromatine sois l’hétérochromatine
• On note la présence e protéine pour avoir une stabilité de la partie

Organisation 5ème Niveau

• Ce passage s'opère lors de la mitose
• Les chromatique sont reliées entre elles par les centromères
• La phosphorylation active la protéine H1 à ce moment là

Fonctionnement Structute et organisation

• Pour L'hétérochromatine :
• ADN a rôle structural
• Pour L'euchromatine :
• Possibilité d'une conversion vers un collier de perles par le détachement d'Histone

Transcription et organisation

• 3 Types d'ARN Polymérases:
• ARN Polymérase transcrivent des ARN structuraux
• ARN Polymérase transcriptes Les ARN messagers

Différenciation cellulaire

• Des groupement méthyl se placent sur Certaines zone d'ADN pour une accessilibtés limitée
• Les cellules synthétises des genes dans la même ordre en se basant sur une transmission à chaque descandante

Organisation nuclélole

• On peut retrouver les ribosome prés des synthèses de L'ARN dans un milieu centre du Noye
• il est non délimité
• Synthèse des grosse sous unités

Organisation BiochimiQUES

• il contient des copies de mêmes genes
• il se reparties en 5 chromosomes différents
• les ribosomes sont constitués d'un arn 45 et 55

Biochmimie Des ARN

• Des milliers d’ arn polymérases travail en même temps
• Branches = ARN 45 en cours de synthèse, Boules = protéine qui aident à la complexe

Organisation du nuclélole

• Le tout forme homogène avec des ADN intercalles ou non transcrit
• Il se fait en 3 étapes entre des protéines ou non

Nucléole et synthèse du RNP

Les RNPr sont composées Arn 45s ARNs Prot fixée

RNPO fonctionnelle

ARN 45: couper par les protéines en deux endroits et obtention de 3ARN différente (28S 18S et 5,8) Formation des 2 sous unités avec la petite et le gosse le tout se fait par étape où des ARN se place bien grâce au pro nucléaires

ARN et Exporations

Il exsiste 3 types de RNP Et plusieures types d’exporations

Différent Types d'ARN et cytoplasme

REV se fixe sur eux RNP et ça aide L’ARN vers un des pores

Organisation matrice nucléaire

Rôle : - aide les différentes zones à organisé et à organisé le fonctionnement des processus

• Protéine num a
• Il se bloque au niveau chromosique de lechromatine

organisation cellulaire

• Lutter contre ces cellule trop matricielle peut aider contre le cancer
• Le seuil de la matrice peut déstabiliser