Le noyau et l’information génétique

La chromatine est un complexe hautement organisé d’ADN et de protéines et est un composant principal du noyau cellulaire. Les protéines histones aident à organiser l’ADN en unités structurelles appelées nucléosomes, qui sont ensuite assemblées en une structure compacte (chromatine) et éventuellement en de très grandes structures d’ordre supérieur (chromosomes).

L’ADN contient plusieurs hiérarchies d’organisation. Le premier niveau d’organisation est obtenu par l’enroulement de l’ADN autour d’un noyau protéique pour produire des structures en forme de billes (les nucléosomes), ce qui donne un rapport de tassement d’environ 6 et ce qui aboutit à la création d’un réseau linéaire de nucléosomes connu sous le nom du fibre de 10 nm. Le nucléosome est la sous-unité fondamentale de la chromatine et il est un composant invariant de l’euchromatine et de l’hétérochromatine dans le noyau interphasique et les chromosomes mitotiques. Le deuxième niveau de tassement se fait par l’enroulement de la fibre 10 nm des nucléosomes dans une structure hélicoïdale appelée fibre de 30 nm que l’on trouve à la fois dans la chromatine en interphase et dans les chromosomes mitotiques. Cette structure augmente le rapport de tassement à environ 40. L’emballage final se produit lorsque la fibre est organisée en boucles, échafaudages et domaines qui donnent un rapport d’emballage final d’environ 1000 dans les chromosomes interphasiques et d’environ 10 000 dans les chromosomes mitotiques. Le rapport de tassement se définit par la longueur de l’ADN divisée par la longueur dans laquelle il est emballé.

La masse de chromatine contient jusqu’à deux fois plus de protéines qu’elle ne contient d’ADN. Environ la moitié de la masse protéique est représentée par les nucléosomes. La masse d’ARN est inférieure à 10% de la masse d’ADN. Une grande partie de l’ARN se compose de transcrits naissants encore associés à l’ADN matrice.

Les histones sont des protéines basiques hautement conservées, dont le caractère chargé positivement les aide à se lier au squelette phosphate négativement chargé de l’ADN. Les histones portent une charge nette positive en raison de la grande abondance de résidus d’arginine et de lysine dans ces protéines. Il existe cinq protéines histones dans la famille: H1, H2A, H2B, H3 et H4. Deux protéines H3 et deux protéines H4 forment un tétramère, qui se combine avec deux dimères H2A/H2B pour former le noyau d’histone en forme de disque. Environ 150 pb d’ADN s’enroulent presque deux fois autour de cette structure protéique pour former une particule centrale du nucléosome. Avec l’histone de liaison (par exemple, l’histone H1) et l’ADN de liaison, cela s’appelle le nucléosome. L’ADN de liaison peut varier en longueur, généralement entre 10 et 90 pb, selon l’espèce, l’activité du gène, le stade de développement et d’autres facteurs. Le nucléosome se répète environ toutes les 200 pb et a un diamètre proche de 10 nm.

L’ADN de liaison est un ADN non nucléosomique présent entre les nucléosomes. L’histone de liaison H1 est associé à l’ADN de liaison. H1 se lie aux sites d’entrée/sortie de l’ADN à la surface de la particule centrale du nucléosome et complète le nucléosome. Il influence la longueur de répétition nucléosomique (Nucleosomal Repeat Length) et est nécessaire pour stabiliser les structures de la chromatine d’ordre supérieur telles que la fibre de 30 nm.

Les queues d’histones constituent les sites d’importantes modifications post-traductionnelles. La plupart des modifications des histones se produisent au niveau des résidus lysine, arginine et sérine des queues N-terminales s’étendant à partir du noyau des histones par des modifications post-tranductionelles telles que l’acétylation, la méthylation, la phosphorylation et l’ubiquitination. Les queues N-terminales des histones sont les régions les plus accessibles car elles dépassent du nucléosome. Les modifications sont connues pour modifier la charge totale des protéines histones, affectant ainsi leur interaction avec l’ADN et altérant la stabilité des nucléosomes. En outre, les modifications sont connues pour créer des sites de recrutement ou pour modifier des sites existants afin d’abolir les interactions avec des facteurs et ainsi réguler l’expression des gènes.

La méthylation de l’ADN se fait par l’ADN méthyl-tranférase et il existe chez la plupart des eucaryotes liée à la répression des gènes. La compaction de la la chromatine empêche la transcription.

L’ajout d’un groupe acétyle (acétylation) à la queue d’histone neutralise la charge, rendant l’ADN moins étroitement enroulé et augmentant la transcription. L’ajout d’un groupe méthyle à la queue d’histone (méthylation) maintient la charge positive, rendant l’ADN plus enroulé et réduisant la transcription.

Lorsque l’ADN est superenroulé et non accessible pour la transcription, il existe sous forme d’hétérochromatine condensée. Lorsque l’ADN est peu compacté et donc accessible à la machinerie de transcription, il existe sous forme d’euchromatine. Différents types de cellules auront différents segments d’ADN emballés sous forme d’hétérochromatine et d’euchromatine. Certains segments d’ADN peuvent être surenroulés en permanence, tandis que d’autres segments peuvent changer au cours du cycle de vie de la cellule.

L’hétérochromatine et l’euchromatine sont les deux principaux types de chromatine. L’hétérochromatine a une structure de chromatine condensée et est inactive pour la transcription, tandis que l’euchromatine a une structure de chromatine lâche et active pour la transcription. L’hétérochromatine est en outre divisée en deux sous-catégories : l’hétérochromatine constitutive et facultative. L’hétérochromatine constitutif est toujours inactif et condensé (par exemple: l’ADN répétitif et l’ADN centromérique). L’hétérochromatine facultative est composée de régions transcriptionnellement actives qui peuvent adopter les caractéristiques structurelles et fonctionnelles de l’hétérochromatine, telles que le chromosome X inactif des mammifères.

L’euchromatine se déroule pendant l’interphase et se condense pendant la mitose et la méiose, avec une condensation maximale à la métaphase. L’euchromatine contient la majeure partie de l’ADN codant. L’hétérochromatine reste fortement condensé même en interphase et compte pour les régions de coloration sombre observées en interphase.

La région du noyau où se produit la synthèse des ARNr 18S et 28S a un aspect caractéristique, avec un noyau fibrillaire entouré d’un cortex granulaire. Le noyau fibrillaire est l’endroit où l’ARNr est transcrit à partir de la matrice d’ADN, et le cortex granulaire est formé par les particules de ribonucléoprotéine dans lesquelles l’ARNr est assemblé. Les composants structurels essentiels des nucléoles, les centres fibrillaires (FC) et les composants fibrillaires denses (DFC), composent ensemble des unités FC / DFC, des loci de transcription de l’ADNr et du traitement précoce de l’ARN.

Un ensemble diversifié de corps nucléaires, tels que le compartiment périnucléolaire, les corps de Cajal et les corps PML, se trouvent dans l’espace interchromatine. Les corps Cajal (CB) sont des organites nucléaires non liés à la membrane où de petites particules de ribonucléoprotéine nucléaire (snRNP) subissent leur maturation finale et leur contrôle de qualité avant d’être libérées dans le nucléoplasme.

Les granules d’interchromatine sont des domaines nucléaires enrichis en facteurs d’épissage pré-ARNm, situés dans les régions interchromatine du nucléoplasme des cellules de mammifères.

Pendant l’interphase, chaque chromosome occupe un domaine spatialement limité, à peu près elliptique, appelé territoire chromosomique. Les chromosomes occupant ces territoires ne sont pas enchevêtrés les uns avec les autres mais partagent des zones d’interaction et une organisation fonctionnelle commune. Les régions hétérochromatiques et autres régions silencieuses se trouvent principalement à la périphérie nucléaire, tandis que les régions denses en gènes sont situées à l’intérieur. Les gènes actifs se trouvent souvent aux frontières des territoires, parfois regroupés dans des espaces interchromosomiques enrichis en machinerie transcriptionnelle. Ainsi, les ARNm nouvellement synthétisés se trouvent donc en périphérie des territoires chromosomiques.

La lame nucléaire est une couche en forme de maille de filaments intermédiaires de type V qui est associée à la membrane nucléaire interne et se connecte à des structures cellulaires essentielles comme la chromatine, le complexe de pores nucléaires et le cytosquelette. La lame nucléaire est composée de lamines, qui sont également présentes à l’intérieur du noyau, et de protéines associées à la lamine.

L’enveloppe nucléaire abrite de nombreux grands canaux protéiques, les complexes de pores nucléaires (Les CPN), à travers lesquels se produisent les échanges macromoléculaires entre le cytosol et le nucléoplasme. Ces structures macromoléculaires sont composées de plusieurs nucléoporines, qui forment sept sous-complexes différents en fonction de leur affinité biochimique. Ces nucléoporines font partie intégrante du complexe, permettant non seulement le transport passif, mais interagissant également avec l’importine, l’exportine et d’autres molécules nécessaires au transport des protéines dans divers processus cellulaires. Le transport de différentes protéines est effectué de manière dépendante ou indépendante des récepteurs de transport. Une caractéristique de nombreuses nucléoporines est la présence de répétitions phénylalanine-glycine

Les nucléoporines sont regroupées en 8 blocs, qui sont organisés en octogone régulier formant des structures annulaires. L’anneau cytoplasmique fait face au cytoplasme, l’anneau radial est dans le canal de l’enveloppe nucléaire et ancre le complexe de pores nucléaires à l’enveloppe nucléaire, et l’anneau nucléaire fait face au nucléoplasme. De plus, il existe des fibrilles s’étendant à partir de chacun des 8 blocs : des fibrilles cytoplasmiques et des fibrilles intranucléaires. Les fibrilles intranucléaires sont reliées à l’anneau nucléaire par l’une de leurs extrémités et à d’autres protéines qui forment un autre anneau intranucléaire appelé anneau distal. Les fibrilles intranucléaires et l’anneau distal forment ensemble le panier nucléaire, également connu sous le nom de cage nucléaire. En plus de leur rôle dans le transport nucléaire, les pores nucléaires sont importants en tant que sites où la membrane externe et la membrane interne de l’enveloppe nucléaire sont fusionnées. En raison de cette fusion, les membranes peuvent être considérées comme continues les unes avec les autres bien qu’elles aient des caractéristiques biochimiques différentes et puissent fonctionner de manière distincte. Étant donné que la membrane nucléaire externe est également en continuité avec la membrane du réticulum endoplasmique (RE), elle et la membrane nucléaire interne peuvent échanger des matériaux membranaires avec le RE. Cette capacité permet à l’enveloppe nucléaire de s’agrandir ou de se réduire lorsque cela est nécessaire pour s’adapter au contenu dynamique du noyau.

Les signaux de localisation nucléaire (NLS) sont généralement de courts peptides qui agissent comme un fragment de signal qui médie le transport des protéines du cytoplasme vers le noyau. Cette reconnaissance de protéine dépendante du NLS, un processus nécessaire pour que les protéines cargo passent l’enveloppe nucléaire à travers le complexe de pores nucléaires, est facilitée par les membres de la superfamille des importines.

Les motifs NLS classiques sont définis comme étant soit monopartites, constitués d’un seul tronçon d’acides aminés basiques, soit bipartites, constitués de deux tronçons d’acides aminés basiques séparés par une région de liaison. Typiquement, les signaux de localisation nucléaire (NLS) sont riches en acides aminés basiques, non clivés de la protéine après importation, et fonctionnellement indépendant de sa position dans la molécule de protéine. Bien que les NLS de type basique soient de loin la classe la plus courante de tels signaux, il existe plusieurs autres types de NLS. Tout comme l’entrée nucléaire des protéines nécessite un NLS, l’exportation des protéines hors du noyau nécessite un NES. Comme pour les NLS, le NES typique est un segment relativement court de séquences hydrophobes de 10 à 13 acides aminés, souvent riches en résidus leucine, qui n’en est pas clivé une fois le processus d’exportation terminé et qui est fonctionnellement indépendant de sa position dans le séquence protéique. La protéine (CRM1) intervient dans l’exportation nucléaire de centaines de protéines grâce à la reconnaissance de leurs signaux d’exportation nucléaire (NES).

Les protéines NLS sont transportées dans le noyau par l’hétérodimère importine α/β. L’importine α se lie au NLS, tandis que l’importine β assure la translocation à travers le complexe des pores nucléaires. Après translocation, RanGTP, dont la concentration est élevée dans le noyau et faible dans le cytoplasme, se lie à l’importine β et déplace l’importine α. L’importine α doit ensuite être renvoyée dans le cytoplasme, laissant la protéine NLS derrière elle. à l’importine (α et β) dans le cytoplasme et ce complexe est transporté dans le noyau par le pore nucléaire. Une fois dans le noyau, le RanGTP nucléaire interagit avec ce complexe en se dissociant α du complexe.

Autrement dit, un NLS (signal de localisation nucléaire) contenant une cargaison d’importation nucléaire (NLS) se lie à l’importine (α et β) dans le cytoplasme et ce complexe est transporté dans le noyau par le pore nucléaire. Une fois dans le noyau, le RanGTP nucléaire interagit avec ce complexe en se dissociant α du complexe pour libérer la cargaison NLS dans le noyau, tout en capturant l’importine β pour le recyclage. RanGTP déclenche la formation du complexe RanGTP : exportine : NES qui est ensuite exporté vers le cytoplasme. Une fois que le complexe a atteint le cytoplasme, RanGAP (une protéine cytoplasmique) active l’hydrolyse du GTP facilitant la libération d’exportine à partir de Ran. RanGDP interagit avec NTF2 (facteur de transport nucléaire 2) et atteint le noyau via NPC. Une fois que RanGEF (une protéine nucléaire) a activé Ran en induisant l’échange GDP vers GTP, RanGTP se dissocie de NTF2.

Donc, Ran, comme les autres GTPases, passe d’un état lié au GTP à un état lié au PIB, et les effets sur ses cibles sont régulés par ce cycle. L’hydrolyse du GTP par Ran s’est avérée nécessaire pour la réaction de translocation à travers le pore nucléaire.

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