Biologie cellulaire - Cours 6 - Session automne 2024 - PDF

Biologie cellulaire BIO1157 Session automne 2024 Rim Marrakchi [email protected]  Cours 6 Le noyau 1 Rôles du noyau 1.1. Protection de l’ADN...

Biologie cellulaire BIO1157 Session automne 2024 Rim Marrakchi [email protected]  Cours 6 Le noyau 1 Rôles du noyau 1.1. Protection de l’ADN 3. L’organisation nucléaire 1.2. Protection de la transcription 3.1. Le compactage de l’ADN 1.3. Procaryotes vs eucaryotes 3.2. Les histones 3.3. L’euchromatine et l’hétérochromatine 3.4. le nucléole 2 La notion de « gène » 3.5. Le ribosome 2.1. Les chromosomes 3.6. Sites spécialisés dans le noyau 2.2. Les gènes 2.3. Les gènes et le génome 1 Rôles du noyau 1.1. Protection de l’ADN Dans une cellule eucaryote, il y a beaucoup de mouvement. Les moteurs protéiques, en circulant le long des filaments, provoquent du mouvement dans le cytoplasme. Le noyau protège et séquestre l’ADN, cela évite des collisions avec les protéines moteurs ou les cargos qu’elles traînent. 1 Rôles du noyau 1.2. Protection de la transcription Transcription gène → ARN pré-messager → ARN messager Traduction ARN messager → protéine L’ARNm transcrit à partir de l’ADN doit subir plusieurs étapes de maturation avant d’être traduit en protéine (épissage, coiffe en 5’, poly-adenylation en 3’).  Le noyau empêche la traduction précoce des ARNm en contrôlant leur sortie vers le cytoplasme. Mure, Fabrice. (2016). 1 Rôles du noyau 1.3. Procaryotes vs eucaryotes Chez les procaryotes: o Le cytoplasme des bactéries ne possède pas de moteurs protéiques. Pas besoin de o L’ADN des bactéries est majoritairement sans introns: la transcription noyau et la traduction ont lieu simultanément dans le cytoplasme. Procaryote Eucaryote 2 La notion de « gène » 2.1. Les chromosomes Les chromosomes mitotiques (forme la plus condensée) sont de gros complexes d’ADN et de protéines (chromatine). Ils sont visibles au microscope photonique. Pour mieux les distinguer, il est possible d’utiliser différents colorants, comme le Giemsa (patron caractéristique de bandes) ou des sondes fluorescentes complémentaires à des séquences spécifiques. 2 La notion de « gène » 2.1. Les chromosomes L’information génétique se retrouve sur les chromosomes, sous forme de gènes. Il n’y a pas que des gènes sur les chromosomes… (transcription en ARN suivi ou non par la traduction) (structure I) Contrôle la transcription du gène (quand et combien il faut faire de protéines) (structure III) Alberts et al., Molecular biology of the cell, %ème Éd. Garland Science. 2008 2 La notion de « gène » 2.2. Les gènes Le génome humain contient 3 milliards de paires de bases… Mille livres de mille pages… 2 La notion de « gène » 2.2. Les gènes Les séquences codantes et régulatrices sont très conservées: en comparant l’ADN de plusieurs organismes différents, on isole et analyse les séquences similaires (bons candidats pour être des gènes). Une séquence… «codante»? «conservée»? «régulatrice»? Ex. Malgré le dernier ancêtre commun datant de 100 millions d’années, les séquences régulatrices et codantes ont conservé un grand % de similitudes entre la souris et l’humain. 2 La notion de « gène » 2.2. Les gènes Il est possible d’aligner les séquences d’ADN (en nucléotides) de plusieurs espèces différentes : faire un BLAST (Basic Local Alignment SearchTool, un logiciel d’alignement). Un BLAST peut même se faire avec une séquence spécifique et toutes celles qui sont connues (séquences déposées dans GenBank). Il est aussi possible d’aligner les séquences des protéines (en acides aminés) connues chez plusieurs espèces. La séquence consensus est la séquence conservée. Elle est composée des acides aminés ou nucléotides qui occupent une position donnée le plus fréquemment. 2 La notion de « gène » 2.3. Les gènes et le génome Composition du génome nucléaire humain LTR retrotransposons 8% Séquences répétées dont la majorité sont mobiles (transposons) DNA transposons 3% SINEs 13% ~ 50% simple sequence repeats 3% segmental duplications 5% miscellaneous heterochromatin 8% LINEs 20% miscellaneous unique sequences 12% Gènes codant pour des protéines 1.5 % Séquences uniques introns 26% Gregory, T. Synergy between sequence and size in Large-scale genomics. Nat Rev Genet 6, 699–708 (2005). https://doi.org/10.1038/nrg1674 (modifié)  2 La notion de « gène » 2.3. Les gènes et le génome o Les transposons se déplacent de manière autonome En plus des transposons, , l’ADN répétitif comporte o des duplications de segments chromosomiques («crossing over» inégal durant la méiose) o des séquences simples de 2-6 pb, répétées jusqu’à 100 fois (souvent dans les centromères et les télomères)  Dans les deux cas, il s’agit des séquences non mobiles. L’information génétique se retrouve sous forme de gènes dispersés parmi beaucoup de séquences répétitives.. Watson et al. (2009) Biologie moléculaire du gène. Pearson 2 La notion de « gène » 2.3. Les gènes et le génome ENCyclopedia Of DNA Elements répertorie tous les éléments de l’ADN et vise à identifier la fonction de chacune des bases du génome. 2 La notion de « gène » 2.3. Les gènes et le génome Composition du génome d’une bactérie (Streptococcus thermophilus) Gènes codant des protéines sur le brin + Gènes codant des protéines sur le brin - ARNt ARNr Principalement des séquences codant pour des protéines Wu et al. (2014). Sci Rep. doi: 10.1038/srep04974. PMID: 24827399 3. L’organisation nucléaire 3.1. Le compactage de l’ADN L’ADN eucaryote est très long et doit être condensé à l’intérieur du noyau. L’ADN humain mesure 2 m de long et doit être compacté à l’intérieur du noyau d’une cellule de 10-50 μm. Le compactage d’ADN est problématique, à cause des groupements P chargés ‘-’ (accumulation de la charge du même type) Protéines avec des charges ‘+’ Les protéines constituent la moitié de la masse moléculaire d’un chromosome eucaryote Iyer et al. BMC Biophysics 2011, 4:8 http://www.biomedcentral.com/2046-1682/4/8 3. L’organisation nucléaire 3.1. Le compactage de l’ADN En interphase, deux niveaux de compaction sont observés: o Fibres condensées de ≥ 30 nm (région non transcrite) o Fibres étendues ~ 10 nm (région active pour la transcription), perles sur un fil Perles sur un fil Adapté de Pearson education.Inc  3. L’organisation nucléaire 3.3. Les histones Le nucléosome (perles sur un fil): Structure de base de la chromatine et le premier niveau de compaction. Les nucléosomes sont les bobines autour desquelles s’enroulent 146 paires de bases. Chaque nucléosome est composé de 8 histones (4 types différents, deux de chaque type). Il s’agit de la fibre de 11 nm. Une cinquième histone, l’histone (H1), stabilise l’ADN sortant des nucléosomes (approche les 2 extrémités) et permet leur empilement en fibre 30 nm. ADN 8 Histones (2xH2A + 2xH2B + 2xH3 + 2xH4) Tekel SJ, Haynes KA. Molecular structures guide the engineering of chromatin. Nucleic Acids Res. 2017 Jul 27;45(13):7555-7570. doi: 10.1093/nar/gkx531. PMID: 28609787; PMCID: PMC5570049.  3. L’organisation nucléaire 3.3. Les histones Les 4 histones du nucléosome possèdent deux régions bien distinctes : une queue N-terminale variable, qui permet la régulation de la liaison de l’histone avec l’ADN et une partie C-terminale conservée, qui permet l’assemblage du nucléosome. Partie N variable Partie C conservée (permet régulation) (permet l’assemblage en nucléosome) Autocomplémentarité entre les histones o Les queues N d’histones sortent du nucléosome et peuvent être modifiées par des enzymes. o Permet de réguler le passage d’euchromatine en hétérochromatine et vice versa, H1 pas suffisant, (influence le niveau de transcription). Le « repli des histones » Molecular Biology of the cell, 4ème édition 3. L’organisation nucléaire 3.3. Les histones Les 4 histones du nucléosome possèdent deux régions bien distinctes : une queue N-terminale variable, qui permet la régulation de la liaison de l’histone avec l’ADN et une partie C-terminale conservée, qui permet l’assemblage du nucléosome. Partie N variable Partie C conservée (permet régulation) (permet l’assemblage en nucléosome) o Acétylation : cache la charge ‘+’ sur les lysines des histones et donc il y a une perte d’interaction avec l’ADN chargé ‘-‘ (=perte des liens ioniques) = l’ADN se détache et donc moins condensé o Phosphorylation: le P ajouté sur les sérines et il va neutraliser une charge ‘+’ voisine de la lysine ou d’arginine. Le P peut aussi augmenter l’effet de répulsion de l’ADN (en ajoutant plus de charges ‘-‘). o Méthylation et ubiquitination : L’ajout de ces groupements rend l’histone compatible à d’autres protéines (plateforme de recrutement pour les autres; = permettent les changements de configuration de la queue N la rendant complémentaire à d’autres protéines … ou d’autres possibilités avec interaction protéine-protéine) 3. L’organisation nucléaire 3.3. L’euchromatine et l’hétérochromatine L’ADN en fibres de 11 nm peut être transcrit en ARN. Il s’agit de euchromatine. À partir de 30 nm, on parle d’hétérochromatine (ADN non transcrit). Il est également possible de faire des boucles avec l’hétérochromatine à l’aide des protéines Sir (silent information regulator, une condensation de plus). Les queues N des histones doivent porter les modifications compatibles avec les protéines Sir. Plus condensée === Moins accessible aux protéines lors de la transcription, réplication, recombinaison Molecular Biology of the cell, 4ème édition 3. L’organisation nucléaire 3.3. L’euchromatine et l’hétérochromatine o L’ADN en fibres de 11 nm peut être transcrit en ARN. Il s’agit de euchromatine. o À partir de 30 nm, on parle d’hétérochromatine (ADN non transcrit). Il est également possible de faire des boucles avec l’hétérochromatine à l’aide des protéines Sir (une condensation de plus). Plus condensée === Moins accessible aux protéines lors de la transcription, réplication, recombinaison 3. L’organisation nucléaire 3.4. le nucléole Une section du noyau apparaît plus sombre au microscope MET (présence de plusieurs protéines). Le nucléole est fibrillaire au centre et plus granuleux en périphérie. o La zone fibrillaire est la zone de transcription des ARN ribosomaux, à partir de 200 gènes arrangés en tandem ( distribués sur 5 chromosomes chez l’humain) o La zone granuleuse est le site d’assemblage des sous-unités ribosomales (ARNr + protéines). o Le nucléole n’est pas délimité par une membrane.  3. L’organisation nucléaire 3.5. le ribosome Le ribosome sert à la traduction de l’ARNm en protéine, dans le cytoplasme. Il est composé de deux sous- unités (grosse et petite) qui s’assemblent uniquement au moment de la traduction. o Chacune des sous-unités est composée d’ARN (ARNr) et de protéines. o La formation des sous-unités, séparées, s’effectue dans le noyau (près du nucléole). o Un site de liaison pour l’ARNm. o Un site de liaison de l’amino-acyl-ARNt ou site A, qui fixe la molécule d’ARNt entrante portant un acide aminé. o Un site peptidyl-ARNt ou site P, qui fixe la molécule d’ARNt liée à l’extrémité en croissance de la chaîne polypeptidique. o Un site de sortie de l’amino-acyl-ARNt ou Site E (E : exit). Bailey, R ,(2023,). Ribosomes - The Protein Builders of a Cell. Retrieved from 3. L’organisation nucléaire 3.5. le ribosome ARNr et protéines ribosomales ne passent pas par les mêmes étapes. La biogenèse des ribosomes comprend six étapes importantes (encadrés jaunes) : (i) Transcription des composants (ARNr, ARNm codant i pour les protéines ribosomales (RP) et les facteurs i d'assemblage (AF) et snoRNA ) : ARNr et ARNm transcrits ii dans le noyau (ARNr dans le nucléole et ARNm à l’extérieur du nucléole) iii (ii) Traitement (épissage des pré-ARNr); iv (iii) Modification des pré-ARN, RP et AF; v (iv) Assemblage des sous-unités en périphérie du nucléole; (importation nucléaire de RP et d’AF); (v) Transport : exportation de pré-ribosomes vers le cytoplasme; vi (vi) Contrôle de la qualité et la surveillance. (Lafontaine, 2015) 3. L’organisation nucléaire 3.6. Sites spécialisés dans le noyau Les sites spécialisés se forment à l’intérieur du noyau même sans membranes o Les ARNm doivent être épissés durant leur maturation à l’aide des complexes ARN-protéines appelés snRNPs (snurps). Ces derniers sont utilisés pour lier les séquences spécifiques aux extrémités des introns (ce que permet de les enlever). o Les ARNr précurseurs doivent être modifiées et coupées par des snoRNPs (complexes ARN-protéines) durant leur maturation. Les SnRNPs sont snoRNP snRNP assemblées/recyclées dans les corps de Cajal. ADN Corps de Cajal Molecular Biology of the cell, 4ème édition