L’ADN et sa compaction chez les eucaryotes

L’ADN, acide désoxyribonucléique, est l’unité de base des êtres vivants et renferme l’ensemble de l’information nécessaire au développement et au fonctionnement d’un organisme.

Sa découverte a été initiée à partir de 1869 lorsque F. Miescher [DAH05] réussit à isoler une substance riche en phosphore au sein de noyaux cellulaires : la nucléine. La séparation de la nucléine fut réalisée par R. Altman en 1889 [VIG01] qui mit en évidence la présence de protéines et d’une substance acide : l’acide nucléique. La présence des quatre bases azotées, l’adénine (A) et la guanine (G) qui constituent les bases puriques, et, la thymine (T) et la cytosine (C) qui constituent

les bases pyrimidiques, fut découverte par A. Kossel en 1896 [VIG01]. En 1928, P. Levene et J. Lunn identifièrent le 2’désoxy-D-ribose mais il faudra attendre 1935 pour parler de l’ADN [TIP57].

Bien que la composition de l’ADN fût découverte dès 1928, il a fallu attendre 1953 pour que sa structure en double hélice soit mise en évidence par J. Watson et F. Crick grâce à la diffraction des rayonnements X [WAT53].

L’ADN est une macromolécule organisée sous la forme d’un polymère de bases désoxyribonucléiques correspondant aux nucléotides. Le nucléotide est l’assemblage d’un groupement phosphate lié à un désoxyribose (sucre) qui est lui-même lié à une base azotée. Les nucléotides sont liés entre eux par l’intermédiaire de liaisons covalentes qui joignent le sucre à l’acide phosphorique.

Les bases azotées s’associent quant à elles de façon complémentaire, l’adénine sera toujours liée à la thymine par l’intermédiaire de deux liaisons hydrogène tandis que la guanine et la cytosine seront liées entre elles par trois liaisons hydrogène, chacune en raison de sa structure unique. Le squelette de l’ADN est donc composé d’un enchainement non aléatoire de sucre / phosphate correspondant au squelette reliés entre eux par un enchainement aléatoire des paires A-T, T-A, C-G et G-C. Le code génétique porté par une cellule est défini par l’ordre suivant lequel les bases sont liées. Une représentation schématique de la structure de l’ADN est reportée sur la figure I-12 :

Figure I-12 : Structure de l’ADN [WEB01, WEB02].

L’ADN est donc constitué de deux brins complémentaires liés par l’intermédiaire de liaisons hydrogène reliant les bases azotées, formant ainsi une double hélice droite ayant un diamètre d’environ 2 nm et dont la taille du génome se mesure en nombre de paires de bases.

Dans les cellules humaines, le matériel génétique est constitué d’un assemblage complexe d’ADN et de protéines et est localisé dans les noyaux de quelques micromètres de diamètre et forme la

chromatine. Les 2 mètres d’ADN présents dans chaque cellule sont donc fortement compactés mais, en même temps, doivent demeurer accessibles afin de permettre la bonne réplication, réparation, transcription et recombinaison de celui-ci. Ainsi, l’organisation de la structure de la chromatine peut influencer la fonctionnalité du génome.

L’unité de base de la chromatine est le nucléosome. Il est composé d’une particule cœur et d’une région de liaison (région internucléosomale) qui relie les particules cœur les unes aux autres. La particule cœur correspond à l’enroulement de 146 paires de bases de l’ADN autour d’un cœur protéique de huit protéines histones (4 types d’histones différentes). La région internucléosomale correspond à de l’ADN reliant les particules cœur et dont la longueur varie en fonction de l’espèce et du type cellulaire. Ainsi, la longueur de l’ADN caractéristique d’un nucléosome varie entre 160 et 240 paires de bases selon les types cellulaires. Le nucléosome représente le premier niveau de compaction de l’ADN dans le noyau.

Figure I-13 : Nucléosomes [WEB03].

Cette structure est ensuite régulièrement répétée de manière à former un nucléo-filament, appelé également fibre de 11 nm à cause de son diamètre. L’ADN enroulé de cette manière forme un collier dont les nucléosomes sont les perles. Ce nucléo-filament peut ensuite s’enrouler de manière à former des fibres de chromatine de 30 nm de diamètre [TRE07]. Ces deux types de structures correspondent à deux types de chromatines qui sont l’euchromatine et l’hétérochromatine :

• L’euchromatine représente la chromatine décondensée formée de fibres de 11 nm de diamètre et correspond à des zones de gènes actifs (transcription). Elle se présente sous la forme du nucléo filament.

• L’hétérochromatine quant à elle représente la chromatine à l’état condensé et correspond à la partie inactive de la chromatine au niveau transcriptionnel. L’hétérochromatine est principalement localisée en périphérie du noyau et se présente sous la forme de fibre d’environ 30 nm de diamètre. Pour cette fibre de chromatine deux modèles sont discutés : la forme solénoïde et la forme zig-zag [ROB06].

Ces deux formes de la chromatine coexistent au sein des noyaux cellulaires et, pendant les différentes étapes du cycle cellulaire, passe d’une forme à l’autre en se condensant et se décondensant. Les deux formes de la chromatine sont un paramètre important à prendre en compte

car il a une influence sur l’induction, la signalisation et la réparation des dommages induits dans l’ADN [FAL08].

En effet, quelques études on été consacrées à l’investigation de l’induction des cassures double brin de l’ADN, que nous détaillerons dans la section 1.4.3.1, dans les régions euchromatiniennes et hétérochromatiniennes [FAL10, JAK11]. Ces études ont mis en évidence le rôle de la structure de la chromatine sur le mouvement des cassures double brin de l’ADN [FAL10] et la relocalisation de ces dommages initiaux vers la périphérie de l’hétérochromatine conduisant à une décondensation locale de celle-ci [JAK11].

A partir de ces fibres de chromatine, un autre niveau de compaction, plus ou moins condensé, peut être obtenu avec la formation de boucles de chromatine. Ce sont ces boucles de chromatine qui constitueront les territoires chromosomiques. Les chromosomes contiennent les gènes qui sont le support de l’information génétique transmis des cellules mères aux cellules filles lors de la mitose. En effet à chaque division cellulaire, la molécule d’ADN mère est dupliquée en deux molécules d’ADN filles dont chacune hérite d’un brin d’ADN, l’autre brin étant le complémentaire du fait des liaisons possibles entre les bases. Sur la figure I-14, nous avons reporté les différents niveaux de compaction de l’ADN au sein des noyaux cellulaires des cellules eucaryotes.