Chromatine - Chromatin

Les structures majeures de la compaction de l'ADN : l' ADN , le nucléosome , les billes de 10 nm sur une fibre stringchromatine et le chromosome en métaphase .

La chromatine est un complexe d' ADN et de protéines que l'on trouve dans les cellules eucaryotes . La fonction principale est d'emballer de longues molécules d'ADN dans des structures plus compactes et plus denses. Cela empêche les brins de s'emmêler et joue également un rôle important dans le renforcement de l'ADN pendant la division cellulaire, empêchant les dommages à l'ADN et régulant l'expression des gènes et la réplication de l'ADN . Au cours de la mitose et de la méiose , la chromatine facilite une bonne ségrégation des chromosomes en anaphase; les formes caractéristiques des chromosomes visibles au cours de cette étape sont le résultat de l'enroulement de l'ADN dans une chromatine hautement condensée.

Les principaux composants protéiques de la chromatine sont les histones , qui se lient à l'ADN et fonctionnent comme des « ancres » autour desquelles les brins sont enroulés. En général, il existe trois niveaux d'organisation de la chromatine :

  1. L'ADN s'enroule autour des protéines histones, formant des nucléosomes et les soi-disant billes sur une structure en corde ( euchromatine ).
  2. De multiples histones s'enroulent dans une fibre de 30 nanomètres constituée de réseaux de nucléosomes dans leur forme la plus compacte ( hétérochromatine ).
  3. Le surenroulement d'ADN de niveau supérieur de la fibre de 30 nm produit le chromosome en métaphase (au cours de la mitose et de la méiose).

Cependant, de nombreux organismes ne suivent pas ce schéma d'organisation. Par exemple, les spermatozoïdes et les globules rouges aviaires ont une chromatine plus dense que la plupart des cellules eucaryotes, et les protozoaires trypanosomatides ne condensent pas du tout leur chromatine en chromosomes visibles. Les cellules procaryotes ont des structures entièrement différentes pour organiser leur ADN (l'équivalent chromosomique procaryote est appelé génophore et est localisé dans la région nucléoïde ).

La structure globale du réseau de la chromatine dépend en outre du stade du cycle cellulaire . Pendant l' interphase , la chromatine est structurellement lâche pour permettre l'accès aux ARN et ADN polymérases qui transcrivent et répliquent l'ADN. La structure locale de la chromatine pendant l'interphase dépend des gènes spécifiques présents dans l'ADN. Les régions d'ADN contenant des gènes qui sont activement transcrits ("activés") sont moins étroitement compactées et étroitement associées aux ARN polymérases dans une structure connue sous le nom d' euchromatine , tandis que les régions contenant des gènes inactifs ("désactivés") sont généralement plus condensées et associées à protéines structurales dans l' hétérochromatine . La modification épigénétique des protéines structurelles de la chromatine via la méthylation et l' acétylation altère également la structure locale de la chromatine et donc l'expression des gènes. La structure des réseaux de chromatine est actuellement mal comprise et reste un domaine de recherche actif en biologie moléculaire .

Structure et hiérarchie dynamiques de la chromatine

Unités de base de la structure de la chromatine

La chromatine subit divers changements structurels au cours d'un cycle cellulaire . Les protéines histones sont les emballeurs et les arrangeurs de base de la chromatine et peuvent être modifiées par diverses modifications post-traductionnelles pour altérer l'emballage de la chromatine ( modification des histones ). La plupart des modifications se produisent sur les queues d'histone. Les conséquences en termes d'accessibilité et de compactage de la chromatine dépendent à la fois de l'acide aminé modifié et du type de modification. Par exemple, l'acétylation des histones entraîne un relâchement et une accessibilité accrue de la chromatine pour la réplication et la transcription. La triméthylation de la lysine peut conduire soit à une augmentation de l'activité transcriptionnelle (triméthylation de l' histone H3 lysine 4) soit à une répression transcriptionnelle et à une compaction de la chromatine (triméthylation de l'histone H3 lysine 9 ou 27). Plusieurs études ont suggéré que différentes modifications pouvaient se produire simultanément. Par exemple, il a été proposé qu'une structure bivalente (avec triméthylation de la lysine 4 et 27 sur l'histone H3) est impliquée dans le développement précoce des mammifères.

Les protéines du groupe Polycomb jouent un rôle dans la régulation des gènes par la modulation de la structure de la chromatine.

Pour plus d'informations, voir Variante de la chromatine , Modifications des histones dans la régulation de la chromatine et Contrôle de l'ARN polymérase par la structure de la chromatine .

Structure de l'ADN

Les structures de l'ADN A, B et Z.

Dans la nature, l'ADN peut former trois structures, A- , B- et Z-DNA . Les ADN A et B sont très similaires et forment des hélices droites, tandis que l'ADN Z est une hélice gauche avec un squelette phosphate en zigzag. On pense que l'ADN-Z joue un rôle spécifique dans la structure et la transcription de la chromatine en raison des propriétés de la jonction entre l'ADN-B et l'ADN-Z.

À la jonction des ADN B et Z, une paire de bases est retournée de la liaison normale. Ceux-ci jouent un double rôle de site de reconnaissance par de nombreuses protéines et de puits pour le stress de torsion provenant de la liaison à l' ARN polymérase ou aux nucléosomes.

Nucléosomes et perles sur un fil

Une représentation de bande dessinée de la structure du nucléosome. Depuis PDB : 1KX5 ​.

L'élément répétitif de base de la chromatine est le nucléosome, interconnecté par des sections d' ADN de liaison , un arrangement beaucoup plus court que l'ADN pur en solution.

En plus des histones centrales, il existe une histone de liaison H1 qui entre en contact avec la sortie/l'entrée du brin d'ADN sur le nucléosome. La particule centrale du nucléosome, avec l'histone H1, est connue sous le nom de chromatosome . Les nucléosomes, avec environ 20 à 60 paires de bases d'ADN de liaison, peuvent former, dans des conditions non physiologiques, des billes d' environ 10 nm sur un fil de fibre.

Les nucléosomes se lient à l'ADN de manière non spécifique, comme l'exige leur fonction dans l'emballage général de l'ADN. Il existe cependant de grandes préférences de séquences d'ADN qui régissent le positionnement des nucléosomes. Cela est principalement dû aux propriétés physiques variables des différentes séquences d'ADN : par exemple, l' adénine (A) et la thymine (T) sont comprimées plus favorablement dans les sillons mineurs internes. Cela signifie que les nucléosomes peuvent se lier de préférence à une position environ toutes les 10 paires de bases (la répétition hélicoïdale de l'ADN) - où l'ADN est tourné pour maximiser le nombre de bases A et T qui se trouveront dans le petit sillon interne. (Voir structure d'acide nucléique .)

Fibre de chromatine de 30 nanomètres

Deux structures proposées du filament de chromatine de 30 nm.
A gauche : 1 structure "solénoïde" d'hélice de démarrage.
À droite : 2 structures en hélice lâche de départ.
Remarque : les histones sont omises dans ce diagramme - seul l'ADN est affiché.

Avec l'ajout de H1, la structure de perles sur une chaîne s'enroule à son tour en une structure hélicoïdale de 30 nm de diamètre connue sous le nom de fibre ou filament de 30 nm. La structure précise de la fibre de chromatine dans la cellule n'est pas connue en détail.

On pense que ce niveau de structure de la chromatine est la forme d' hétérochromatine , qui contient principalement des gènes silencieux sur le plan de la transcription. Des études en microscopie électronique ont démontré que la fibre de 30 nm est hautement dynamique de telle sorte qu'elle se déplie en une structure de perles de fibre de 10 nm lorsqu'elle est traversée par une ARN polymérase engagée dans la transcription.

Quatre structures proposées du filament de chromatine de 30 nm pour une longueur de répétition d'ADN par nucléosomes allant de 177 à 207 pb.
ADN de liaison en jaune et ADN nucléosomique en rose.

Les modèles existants acceptent généralement que les nucléosomes se trouvent perpendiculairement à l'axe de la fibre, avec des histones de liaison disposées à l'intérieur. Une fibre stable de 30 nm repose sur le positionnement régulier des nucléosomes le long de l'ADN. L'ADN de liaison est relativement résistant à la flexion et à la rotation. Cela rend la longueur de l'ADN de liaison critique pour la stabilité de la fibre, nécessitant que les nucléosomes soient séparés par des longueurs qui permettent la rotation et le repliement dans l'orientation requise sans stress excessif pour l'ADN. De ce point de vue, différentes longueurs de l'ADN de liaison devraient produire différentes topologies de repliement de la fibre de chromatine. Des travaux théoriques récents, basés sur des images de microscopie électronique de fibres reconstituées, soutiennent ce point de vue.

Organisation spatiale de la chromatine dans le noyau cellulaire

L'arrangement spatial de la chromatine dans le noyau n'est pas aléatoire - des régions spécifiques de la chromatine peuvent être trouvées dans certains territoires. Les territoires sont, par exemple, les domaines associés à la lamina (LAD) et les domaines d'association topologique (TAD), qui sont liés entre eux par des complexes protéiques. Actuellement, des modèles polymères tels que le modèle Strings & Binders Switch (SBS) et le modèle Dynamic Loop (DL) sont utilisés pour décrire le repliement de la chromatine dans le noyau.

Organisation structurelle dépendante du cycle cellulaire

Caryogramme d'un homme humain utilisant la coloration Giemsa , montrant la structure classique de la chromatine en métaphase .
Condensation et résolution des chromatides sœurs humaines au début de la mitose
  1. Interphase : La structure de la chromatine pendant l' interphase de la mitose est optimisée pour permettre un accès simple des facteurs de transcription et de réparation de l'ADN à l'ADN tout en compactant l'ADN dans le noyau . La structure varie en fonction de l'accès requis à l'ADN. Les gènes qui nécessitent un accès régulier par l' ARN polymérase nécessitent la structure plus lâche fournie par l'euchromatine.
  2. Métaphase : La structure métaphasique de la chromatine diffère considérablement de celle de l' interphase . Il est optimisé pour la force physique et la maniabilité, formant la structure chromosomique classique observée dans les caryotypes . On pense que la structure de la chromatine condensée est constituée de boucles de fibre de 30 nm vers un échafaudage central de protéines. Il n'est cependant pas bien caractérisé. Les échafaudages chromosomiques jouent un rôle important pour maintenir la chromatine en chromosomes compacts. Les boucles d'une structure de 30 nm se condensent davantage avec l'échafaudage, en structures d'ordre supérieur. Les échafaudages chromosomiques sont constitués de protéines, notamment la condensine , la topoisomérase de type IIA et le membre 4 de la famille des kinésines (KIF4). La force physique de la chromatine est vitale pour cette étape de division afin d'éviter les dommages causés par le cisaillement à l'ADN lorsque les chromosomes filles sont séparés. Pour maximiser la force, la composition de la chromatine change à mesure qu'elle s'approche du centromère, principalement par le biais d'analogues alternatifs de l'histone H1. Au cours de la mitose, bien que la majeure partie de la chromatine soit étroitement compactée, il existe de petites régions qui ne sont pas aussi étroitement compactées. Ces régions correspondent souvent aux régions promotrices de gènes qui étaient actifs dans ce type cellulaire avant la formation de la chromatine. Le manque de compactage de ces régions est appelé bookmarking , qui est un mécanisme épigénétique considéré comme important pour transmettre aux cellules filles la "mémoire" dont les gènes étaient actifs avant l'entrée en mitose. Ce mécanisme de mise en signet est nécessaire pour aider à transmettre cette mémoire car la transcription cesse pendant la mitose .

Chromatine et rafales de transcription

La chromatine et son interaction avec les enzymes ont fait l'objet de recherches et la conclusion est qu'elle est pertinente et qu'elle est un facteur important dans l'expression des gènes. Vincent G. Allfrey, professeur à l'Université Rockefeller, a déclaré que la synthèse d'ARN est liée à l'acétylation des histones. L'acide aminé lysine attaché à l'extrémité des histones est chargé positivement. L'acétylation de ces queues rendrait les extrémités de la chromatine neutres, permettant l'accès à l'ADN.

Lorsque la chromatine se décondense, l'ADN est ouvert à l'entrée de la machinerie moléculaire. Les fluctuations entre la chromatine ouverte et fermée peuvent contribuer à la discontinuité de la transcription, ou à l' éclatement de la transcription . D'autres facteurs sont probablement impliqués, tels que l'association et la dissociation des complexes de facteurs de transcription avec la chromatine. Le phénomène, par opposition aux modèles probabilistes simples de transcription, peut expliquer la grande variabilité de l'expression des gènes survenant entre les cellules dans les populations isogéniques.

Organisations alternatives de la chromatine

Au cours de la spermiogenèse métazoaire , la chromatine des spermatides est remodelée en une structure plus espacée, élargie, presque cristalline. Ce processus est associé à l'arrêt de la transcription et implique un échange de protéines nucléaires . Les histones sont pour la plupart déplacées et remplacées par des protamines (petites protéines riches en arginine ). Il est proposé que chez la levure, les régions dépourvues d'histones deviennent très fragiles après transcription ; HMO1, une protéine HMG-box , aide à stabiliser la chromatine sans nucléosomes.

Réparation de la chromatine et de l'ADN

L'empaquetage de l'ADN eucaryote dans la chromatine présente une barrière à tous les processus basés sur l'ADN qui nécessitent le recrutement d'enzymes sur leurs sites d'action. Pour permettre le processus cellulaire critique de réparation de l'ADN, la chromatine doit être remodelée. Chez les eucaryotes, les complexes de remodelage de la chromatine dépendant de l'ATP et les enzymes modifiant les histones sont deux facteurs prédominants utilisés pour accomplir ce processus de remodelage.

La relaxation de la chromatine se produit rapidement sur le site d'une lésion de l'ADN. Ce processus est initié par la protéine PARP1 qui commence à apparaître au niveau des dommages à l'ADN en moins d'une seconde, avec une accumulation de moitié maximum dans les 1,6 secondes suivant la survenue du dommage. Ensuite, le remodeleur de la chromatine Alc1 se fixe rapidement au produit de PARP1 et termine l'arrivée des dommages à l'ADN dans les 10 secondes suivant les dommages. Environ la moitié de la relaxation maximale de la chromatine, probablement due à l'action d'Alc1, se produit en 10 secondes. Cela permet ensuite le recrutement de l'enzyme de réparation de l'ADN MRE11 , pour initier la réparation de l'ADN, en 13 secondes.

γH2AX, la forme phosphorylée de H2AX est également impliquée dans les premières étapes menant à la décondensation de la chromatine après l'apparition de dommages à l'ADN. La variante d'histone H2AX constitue environ 10 % des histones H2A de la chromatine humaine. Le H2AX (H2AX phosphorylé sur la sérine 139) peut être détecté dès 20 secondes après l'irradiation des cellules (avec formation de cassures double brin de l'ADN), et l'accumulation de moitié maximum de γH2AX se produit en une minute. L'étendue de la chromatine avec le γH2AX phosphorylé est d'environ deux millions de paires de bases au site d'une cassure double brin de l'ADN. Le H2AX ne provoque pas lui-même la décondensation de la chromatine, mais dans les 30 secondes suivant l'irradiation, la protéine RNF8 peut être détectée en association avec le γH2AX. RNF8 médie une décondensation étendue de la chromatine, par son interaction ultérieure avec CHD4 , un composant du complexe de remodelage nucléosomique et de désacétylase NuRD .

Après avoir subi une relaxation consécutive à des dommages à l'ADN, suivie d'une réparation de l'ADN, la chromatine récupère à un état de compactage proche de son niveau d'avant les dommages après environ 20 minutes.

Méthodes pour étudier la chromatine

  1. ChIP-seq (séquençage d'immunoprécipitation de la chromatine), destiné à lutter contre différentes modifications des histones , peut être utilisé pour identifier les états de la chromatine dans tout le génome. Différentes modifications ont été liées à divers états de la chromatine.
  2. La DNase-seq (séquençage des sites hypersensibles à la DNase I) utilise la sensibilité des régions accessibles du génome à l'enzyme DNase I pour cartographier les régions ouvertes ou accessibles du génome.
  3. FAIRE-seq (Formaldéhyde-Assisted Isolation of Regulatory Elements Sequencing) utilise les propriétés chimiques de l'ADN lié aux protéines dans une méthode de séparation en deux phases pour extraire les régions appauvries en nucléosomes du génome.
  4. ATAC-seq (Assay for Transposable Accessible Chromatin sequencing) utilise la transposase Tn5 pour intégrer des transposons (synthétiques) dans des régions accessibles du génome, mettant ainsi en évidence la localisation des nucléosomes et des facteurs de transcription à travers le génome.
  5. L'empreinte ADN est une méthode visant à identifier l'ADN lié aux protéines. Il utilise le marquage et la fragmentation couplés à l'électrophorèse sur gel pour identifier les zones du génome qui ont été liées par des protéines.
  6. MNase-seq (Séquençage Micrococcal Nuclease) utilise l' enzyme nucléase micrococcale pour identifier le positionnement des nucléosomes dans tout le génome.
  7. La capture de la conformation chromosomique détermine l'organisation spatiale de la chromatine dans le noyau, en déduisant des emplacements génomiques qui interagissent physiquement.
  8. Le profilage MACC (Micrococcal nuclease ACCessibility profiling) utilise une série de titrages de produits de digestion de la chromatine avec la nucléase micrococcale pour identifier l'accessibilité de la chromatine ainsi que pour cartographier les nucléosomes et les protéines de liaison à l'ADN non histones dans les régions ouvertes et fermées du génome.

Chromatine et nœuds

La façon dont les chromosomes d'interphase décondensés restent essentiellement non noués a été une énigme. L'attente naturelle est qu'en présence de topoisomérases d'ADN de type II qui permettent le passage de régions d'ADN double brin les unes par rapport aux autres, tous les chromosomes devraient atteindre l'état d'équilibre topologique. L'équilibre topologique dans les chromosomes interphasiques très encombrés formant des territoires chromosomiques entraînerait la formation de fibres de chromatine fortement nouées. Cependant, les méthodes de capture de conformation chromosomique (3C) ont révélé que la décroissance des contacts avec la distance génomique dans les chromosomes en interphase est pratiquement la même que dans l'état de globule froissé qui se forme lorsque de longs polymères se condensent sans formation de nœuds. Pour éliminer les nœuds de la chromatine très encombrée, il faudrait un processus actif qui devrait non seulement fournir l'énergie nécessaire pour déplacer le système de l'état d'équilibre topologique, mais également guider les passages médiés par la topoisomérase de manière à ce que les nœuds soient efficacement dénoués au lieu de rendre les nœuds encore plus complexes. Il a été démontré que le processus d'extrusion de la boucle de chromatine est parfaitement adapté pour dénouer activement les fibres de chromatine dans les chromosomes en interphase.

Chromatine : définitions alternatives

Le terme, introduit par Walther Flemming , a plusieurs significations :

  1. Définition simple et concise : La chromatine est un complexe macromoléculaire d'une macromolécule d'ADN et de macromolécules de protéines (et d'ARN). Les protéines emballent et organisent l'ADN et contrôlent ses fonctions au sein du noyau cellulaire.
  2. Une définition opérationnelle des biochimistes : la chromatine est le complexe ADN/protéine/ARN extrait de noyaux d'interphase lysés eucaryotes. Le fait de savoir laquelle des innombrables substances présentes dans un noyau constituera une partie du matériau extrait dépend en partie de la technique utilisée par chaque chercheur. De plus, la composition et les propriétés de la chromatine varient d'un type cellulaire à l'autre, au cours du développement d'un type cellulaire spécifique et à différentes étapes du cycle cellulaire.
  3. La définition ADN + histone = chromatine : La double hélice d'ADN dans le noyau cellulaire est conditionnée par des protéines spéciales appelées histones. Le complexe protéine/ADN formé est appelé chromatine. L'unité structurelle de base de la chromatine est le nucléosome.

La première définition permet de définir les "chromatines" dans d'autres domaines de la vie comme les bactéries et les archées, en utilisant toutes les protéines de liaison à l'ADN qui condensent la molécule . Ces protéines sont généralement appelées protéines associées aux nucléoïdes (NAP) ; les exemples incluent AsnC/LrpC avec HU. De plus, certaines archées produisent des nucléosomes à partir de protéines homologues aux histones eucaryotes.

prix Nobel

Les scientifiques suivants ont été récompensés pour leurs contributions à la recherche sur la chromatine par des prix Nobel :

Année Qui Prix
1910 Albrecht Kossel (Université de Heidelberg) Prix ​​Nobel de physiologie ou médecine pour sa découverte des cinq bases nucléaires : adénine , cytosine , guanine , thymine et uracile .
1933 Thomas Hunt Morgan (California Institute of Technology) Prix ​​Nobel de physiologie ou médecine pour ses découvertes du rôle joué par le gène et le chromosome dans l'hérédité, sur la base de ses études sur la mutation des yeux blancs chez la mouche des fruits Drosophila .
1962 Francis Crick , James Watson et Maurice Wilkins (MRC Laboratory of Molecular Biology, Harvard University et London University respectivement) Prix ​​Nobel de physiologie ou médecine pour leurs découvertes de la structure en double hélice de l'ADN et son importance pour le transfert d'informations dans le matériel vivant.
1982 Aaron Klug (Laboratoire MRC de biologie moléculaire) Prix ​​Nobel de chimie « pour son développement de la microscopie électronique cristallographique et son élucidation structurelle des complexes acide nucléique-protéine biologiquement importants »
1993 Richard J. Roberts et Phillip A. Sharp Prix ​​Nobel de physiologie "pour leurs découvertes indépendantes de gènes divisés ", dans lesquels des sections d'ADN appelées exons expriment des protéines et sont interrompues par des sections d'ADN appelées introns , qui n'expriment pas de protéines.
2006 Roger Kornberg (Université de Stanford) Prix ​​Nobel de chimie pour sa découverte du mécanisme par lequel l'ADN est transcrit en ARN messager.

Voir également

Remarques

Les références

Sources supplémentaires

Liens externes