Cours 1 Noyau, chromosomes, chromatine 2024-2025 PDF

Structure et fonctions du noyau cellulaire Noyau, chromosomes et chromatine Marie-Hélène Cuif 2024  I – Organisation du noyau Compartiment cellulaire restreint aux cellules eucaryotes - Présent dans toutes les cellules humaines Cep...

Structure et fonctions du noyau cellulaire Noyau, chromosomes et chromatine Marie-Hélène Cuif 2024  I – Organisation du noyau Compartiment cellulaire restreint aux cellules eucaryotes - Présent dans toutes les cellules humaines Cependant quelques types cellulaires perdent leur noyau pendant leur différenciation : globules rouges (hématies ou érythrocytes), kératinocytes des couches superficielles de l’épiderme. - Un seul noyau par cellule sauf exceptions: hépatocytes, cellules musculaires…. - Forme variable : GR - sphérique ou ovoïde - polylobé (polynucléaires).... GR Polynucléaire Plasmocyte - La localisation du noyau est le plus souvent centrale mais certaines cellules comme les adipocytes ont un noyau périphérique. - Chez la plupart des eucaryotes le noyau est présent dans les cellules en interphase et l’enveloppe nucléaire disparaît lors de la mitose : mitose ouverte. Chez certains eucaryotes (champignons..) l’enveloppe nucléaire persiste durant la mitose : mitose fermée  I – A: L’enveloppe nucléaire délimite le noyau L’enveloppe nucléaire est composée de 2 membranes concentriques, externe et interne, constituées chacune d’une bicouche lipidique. Les 2 membranes diffèrent par leur contenu protéique. - Membrane externe en continuité avec la Membrane Enveloppe externe membrane du REG, recouverte de nucléaire Membrane ribosomes Membrane du interne RE Lumière - Membrane interne tapissée de filaments du RE intermédiaires : lamina nucléaire - Espace inter-membranaire ou périnucléaire en continuité avec la lumière du REG. Lamina nucléaire Espace Pore périnucléaire nucléaire Les pores nucléaires constituent le site d’échanges entre noyau et cytosol  I – B : L’enveloppe nucléaire est connectée au cytosquelette sur ses deux faces 1 - La lamina nucléaire recouvre la face nucléoplasmique de la membrane interne. - elle est composée de polymères de trois protéines fibrillaires : les lamines A, B et C, appartenant à la catégorie des filaments intermédiaires. - elle présente des interruptions au niveau des pores nucléaires. Lamina nucléaire vue en microscopie électronique - Elle assure l’assise interne de l’enveloppe nucléaire et lui donne sa forme. - Elle stabilise les pores nucléaires par lesquels se font les échanges nucléocytoplasmiques. - La lamina nucléaire interagit avec la chromatine (ADN + protéines) ainsi qu’avec des protéines de la membrane nucléaire interne. - La lamina nucléaire forme un réseau extrêmement dynamique qui se désassemble en début de mitose et se réassemble en fin de mitose (mitose ouverte). 2 - La membrane nucléaire est connectée au cytosquelette cellulaire : microfilaments, filaments intermédiaires et microtubules par l’intermédiaire de protéines spécifiques. Lamines Chromatine  II - Contenu nucléaire Le noyau renferme la quasi-totalité de l’information génétique sous la forme de molécules d’ADN double-brins ou chromosomes (46 dans l’espèce humaine) associées à des protéines (chromatine). La chromatine baigne dans le nucléoplasme : - Fraction soluble du noyau, constitué essentiellement d'eau, il contient des ions, des nucléotides, des protéines nécessaires à la réplication de l’ADN et à la transcription en ARN, ainsi que des ARN. - Il est en continuité avec le cytoplasme par l’intermédiaire des pores nucléaires.  II - A: Chromosome et chromatine, définitions Un chromosome est constitué d'une molécule d'ADN linéaire double-brin associée aux protéines histones. Il comporte plusieurs régions nécessaires à sa réplication et à la répartition des chromatides-soeurs dans les cellules filles : Mitose - Origines de réplication, - Centromère: zone d’attachement du fuseau mitotique - Télomères: maintiennent la structure de chaque chromosome, évitent les fusions chromosomiques. Réplication Fuseau mitotique Chromatides soeurs  L’ensemble ADN + histones + protéines non-histones constitue la CHROMATINE Chromatine Autres protéines : Polymérases, facteurs de transcription.... II - B: Les histones permettent la compaction de l’ADN nucléaire Taille du génome humain : 3,2 milliards de pb (génome haploïde ou n chromosomes) Espèce diploïde donc 6,4 milliards de paires de bases en interphase. Une cellule humaine contient 2 m d’ADN. L’essentiel est contenu dans un noyau dont le diamètre varie entre 5 et 10 µm. défi équivalent : faire tenir 40 km de fil fin dans une balle de tennis.  III - Organisation de la chromatine en interphase III - A : 1er niveau de compaction : le nucléosome et le nucléofilament (fibre de 11 nm) L’ADN s’enroule autour des histones grâce Le nucléosome aux interactions entre les charges contient négatives des phosphates de l’ADN et les de l’ADN + charges positives des acides aminés un octamère basiques (arginine ou lysine) des histones. d’histones Les 146 paires de bases d’ADN forment 1,7 tour autour de la particule-coeur. Particule-coeur ADN double-brin d’histones 146 paires de bases Les histones sont parmi les protéines eucaryotes les plus conservées au cours de l’évolution. 8 histones : [H2A+H2B+H3+H4] x 2 Les nucléosomes se répètent environ toutes les 200 pb, formant le nucléofilament Par définition, le nucléosome comprend : la particule-cœur + 146 pb d’ADN enroulé autour de la particule-cœur + ~ 50 pb d’ADN internucléosomique ou ADN de liaison. 2 nm 11 nm Nucléosome Aspect en « collier de perles » du nucléofilament Nucléofilament en microscopie électronique Grâce aux nucléosomes la longueur initiale de l’ADN est réduite d’environ 7 fois. Une cellule humaine contient plus de 30 millions de nucléosomes pour 6,4x109 pb.  III – B : 2ème niveau de compaction : la fibre de 30 nm 1 – L’histone inter-nucléosomique H1 se fixe à l’ADN du nucléosome ET à l’ADN internucléosomique Intervient dans l'espacement des nucléosomes entre eux et dans la compaction de l'ADN. Pas d'homologie structurale avec les histones nucléosomales 2 – Les extrémités NH2-terminales des histones de la particule-coeur interagissent avec les nucléosomes adjacents Le nucléofilament s’enroule sur lui-même pour former une fibre de 30 nm selon une hélice régulière (solénoïde) tournant vers la gauche et contenant environ 6 nucléosomes par tour. A ce stade la longueur initiale de la molécule d’ADN a été réduite d’un facteur 50. N4 n4 n6 N5 n3 n5 n2 n1 Fibre de 30 nm en microscopie électronique  III – C: Remodelage de la chromatine en interphase - La chromatine est une structure dynamique perpétuellement modifiée en réponse aux besoins de la cellule. Les interactions histones-ADN sont modifiées en permanence. - Les histones de la particule-coeur peuvent subir plusieurs types de modifications post-traductionnelles sur leur extrémité N-terminale : - méthylation, - phosphorylation, - acétylation Par exemple, pour permettre la transcription, 2 types de complexes modifient la chromatine: - Les histone-acétyltransférases (HAT) réalisent l’acétylation de l’extrémité des histones : perturbation des interactions entre nucléosomes  le promoteur du gène devient accessible aux facteurs d’initiation de la transcription. - Les complexes de remodelage de la chromatine (ATP-dépendants) déplacent les nucléosomes pour dégager des séquences d’ADN spécifiques.  III - D: 3ème niveau de compaction : La fibre de 30 nm s’organise en boucles fonctionnelles (TAD) de quelques mégapaires de bases dans les chromosomes interphasiques Fibre de 30 nm Structure des cohésines CTCF CCCTC-binding factor Cohésines Gène Élément régulateur - Entre les nucléosomes se trouvent des séquences d’ADN se liant à des protéines non-histones qui assurent l’attachement des boucles : protéine CTCF et cohésines. - Ces boucles forment des domaines topologiquement indépendants A l’intérieur d’un domaine TAD, la compaction d’une boucle de chromatine, et donc l’expression des gènes qu’elle contient, peut être modifiée sans affecter les domaines chromatiniens voisins.  IV – Organisation de la chromatine et territoires chromosomiques à l’interphase IV – A: On observe à l’interphase 2 types de chromatine : - Euchromatine : forme peu compacte de chromatine contenant les gènes transcrits par la cellule. - Hétérochromatine : forme très compacte de chromatine. A) Hétérochromatine facultative : contient les gènes non exprimés par un type cellulaire. Les régions d'ADN constituant l'hétérochromatine facultative varient selon le stade du développement ou selon le type cellulaire car les cellules ont des fonctions spécialisées et expriment donc des gènes différents (différenciation cellulaire). L’état d’hétérochromatine facultative de l’ADN est réversible, il peut être reconverti en euchromatine. B) Hétérochromatine constitutive : régions de l’ADN pauvres en gènes - télomères, - centromère et régions péricentromériques L’état d’hétérochromatine de ces séquences est stable : elles restent fortement compactées tout au long du cycle cellulaire, quel que soit le stade du développement et le tissu concernés.  IV – B : Territoires chromosomiques - Ces territoires ne sont PAS des compartiments nucléaires. - Chaque chromosome semble occuper un territoire délimité sans mélange ni recouvrement avec les chromosomes voisins. La surface occupée par un territoire est proportionnelle à la taille du chromosome. Les chromosomes homologues ne sont pas contigus. - Chaque chromosome est en contact avec la lamina. - Pour un même chromosome, les séquences activement transcrites sont éloignées de la lamina (compartiment A), les séquences non transcrites sont proches de la lamina (compartiment B). Lamina Peu/pas de transcription (compartiment B, correspondant à l’hétérochromatine) Transcription active (compartiment A, correspondant à l’euchromatine) Chromosomes 1 à 22 et X et Y à l’interphase. Chaque chromosome a été marqué avec un fluorochrome de couleur différente.  V - Organisation des chromosomes mitotiques V – A : Un niveau supplémentaire de compaction de l’ADN est atteint lors de la condensation des chromatides sœurs 1- par l’action de complexes protéiques condensines impliquées dans la formation de boucles de chromatine. Condensines Fibre de 30 nm  Un niveau supplémentaire de compaction de l’ADN est atteint lors de la condensation des chromatides sœurs 2 - par la modification des histones : phosphorylation, désacétylation. La désacétylation des histones renforce les interactions entre nucléosomes et génère une chromatine compacte et très peu soluble. Chromatine acétylée Chromatine désacétylée Condensines Condensines La protéine Ki67 tapisse la surface des chromosomes métaphasiques et crée une zone répulsive empêchant la coalescence des chromosomes métaphasiques V – B : Le taux maximum de compaction est atteint dans le chromosome métaphasique Diamètre 700 nm par chromatide-soeur V – C : Le caryotype est établi à partir des chromosomes métaphasiques 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 X Y Miller & Therman (2001) Human Chromosomes, Springer Le caryotype est établi à partir des chromosomes métaphasiques