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CHAPITRE  1   : Introduction 1

1.2   La chromatine 27

1.2.1   Organisation de la chromatine 27

1.2.1.1   Différents  niveaux  de  compaction  de  la  chromatine    

Si   l’ADN   des   46   chromosomes   humains   était   mis   bout   à   bout,   il   mesurerait   environ   2   mètres   de   long   et   aurait   un   diamètre   de   2nm.   Sachant   que   la   taille   moyenne   du   noyau   d’une   cellule   humaine   est   d’environ   10µm,   l’ADN   doit   être   hautement   compacté   pour   rentrer  dans  le  noyau167.      

L’ADN   des   cellules   eucaryotes   n’est   pas   nu.   En   effet,   le   matériel   génétique   est   organisé   sous   forme   de   chromatine,   une   structure   constituée   d’ADN   et   de   protéines.   Le   premier   niveau  de  compaction  de  l’ADN  est  le  nucléosome  :  de  courts  segments  d’ADN  enroulés   environ   1.65   fois   autour   de   huit   protéines   histone   à   intervalles   réguliers   le   long   du   chromosome168.  Les  nucléosomes  régulièrement  répétés,  reliés  entre  eux  par  un  ADN  dit  

de   liaison   (linker   DNA),   forment   ainsi   un   nucléofilament   de   11nm,   aussi   appelé   structure   en   "collier   de   perles"169.   Un   modèle   de   longue   date   propose   que   le   deuxième   niveau   de  

compaction  de  la  chromatine  soit  permis  grâce  à  l’inclusion  de  l’histone  de  liaison  H1  au   sein  du  nucléofilament  pour  former  une  fibre  de  30nm170,171.  Par  la  suite,  la  fibre  de  30nm  

s’organiserait  en  boucles  d’environ  300nm  de  long,  qui  seraient  elles-­mêmes  compactées   pour   atteindre   un   degré   de   compaction   maximal   dans   le   chromosome   métaphasique   (14000nm)172   (Figure   1.11).   Toutefois,   les   mécanismes   de   compaction   des   nucléosomes  

au  sein  de  la  fibre  chromatinienne  sont  encore  mal  compris  et  l’existence  même  de  la  fibre   de  30nm  est  encore  débattue173.    

 

Figure  1.11:  Les  différents  niveaux  de  compaction  de  la  chromatine.  (adapté  de172)    

La   double   hélice   d’ADN   (2nm)   s’enroule   autour   des   nucléosomes   et   forme   une   fibre   de   11nm   de   diamètre   qui   se   replie   en   une   structure   plus   condensée   après   inclusion   de   l’histone  H1  (fibre  de  30nm).  Le  degré  ultime  de  la  condensation  de  la  chromatine  est  le   chromosome  mitotique  (1400  nm).    

1.2.1.2   L’unité  structurale  de  la  chromatine  :  le  nucléosome

L’unité   fondamentale   de   la   chromatine,   le   nucléosome,   est   répétée   toutes   les   160   à   240   paires   de   bases   (pb)   au   sein   du   génome174.   Chaque   nucléosome   est   composé   d’une  

région  cœur  consistant  en  un  octamère  de  protéines  histone  autour  duquel  s’enroule  146   pb   d’ADN.   Les   régions   cœur   des   nucléosomes   sont   reliées   entre   elles   par   de   l’ADN   de   liaison,  qui  s’associe  souvent  avec  une  protéine  histone  de  liaison  (H1  et  H5).  La  région   cœur   du   nucléosome,   associée   à   l’histone   de   liaison,   constitue   le   chromatosome.   Ce   dernier,   en   combinaison   avec   l’ADN   de   liaison,   constitue   un   nucléosome167,175   (Figure   1.12.A).   Malgré   ces   définitions   techniques,   la   région   cœur   est   communément   appelée   nucléosome  et  c’est  ainsi  que  nous  allons  la  désigner  par  la  suite.  

  Figure  1.12:  Le  nucléosome.  (figure  B.  adaptée  de176)  

Le   nucléosome   est   composé   d’un   octamère   d’histones   autour   duquel   s’enroule   146   pb   d’ADN.  A.  Définition  des  différents  éléments  constituant  un  nucléosome.  Fait  à  noter,  les   extrémités   des   histones   sont   projetées   hors   des   nucléosomes   et   sont   le   lieu   de   modifications  post-­traductionnelles  (représentées  par  une  étoile  ou  un  cercle  de  couleur).  

B.  Éléments  structuraux  formant  un  nucléosome.  Deux  hétérodimères  H3-­H4  s’associent  

pour  former  un  tétramère.  Puis,  deux  hétérodimères  H2A-­H2B  interagissent  avec  H4  pour   former,  en  association  avec  l’ADN,  un  nucléosome.    

 

Les  histones  composant  le  nucléosome  sont  les  histones  canoniques  H2A,  H2B,  H3  et  H4,   présentes   chacune   en   double   exemplaires168.   Les   histones   sont   une   famille   de   petites  

protéines   basiques   très   conservées   au   cours   de   l’évolution   et   dont   la   structure   peut   être   divisées  en  plusieurs  domaines177.  Le  domaine  central  globulaire  très  structuré,  consistant  

en   3   hélices   alpha   séparées   par   deux   boucles,   facilite   l’hétérodimérisation   de   H2A   avec   H2B  et  de  H3  avec  H4.  Ces  interactions  résultent  en  l’unité  structurale  dimérique  à  la  base   du  nucléosome178(Figure  1.12.B).  Les  deux  autres  domaines  des  histones,  non  structurés  

et   variables   dans   leur   composition,   correspondent   à   leurs   extrémités   carboxy   et   amino   terminales   (C-­terminales   et   N-­terminales).   Par   ailleurs,   chaque   histone   possède   un   domaine  N-­terminal,  constitué  de  20  à  35  résidus,  riche  en  acide-­aminés  basiques  et  qui   s’étend   au-­delà   de   la   surface   du   nucléosome.   L’histone   H2A   est   le   seul   à   contenir   un   domaine  carboxy-­terminal   d’environ   37   acides   aminés   qui   est   également   projeté   hors   du   nucléosome179.   Ces   "queues"   terminales   des   histones   sont   le   lieu   privilégié   de  

modifications   post-­traductionnelles   (Figure   1.12.A)   dont   l’importance   et   la   complexité   seront  développées  par  la  suite.  Bien  que  la  structure  des  nucléosomes  ait  l’air  rigide  d’un   point  de  cytologique,  ces  sous-­unités  répétées  de  la  chromatine  sont  très  dynamiques180.      

1.2.1.3   Organisation  fonctionnelle  de  la  chromatine  

La   recherche   d’un   lien   fonctionnel   entre   la   structure   et   la   fonction   de   l’organisation   du   génome   a   été   au   centre   d’un   grand   nombre   d’études.   Le   premier   indice   de   l’existence   d’une   organisation   fonctionnelle   remonte   à   la   fin   des   années   1920   lorsque   Emil   Heitz   a   observé   deux   types   de   chromatine   en   marquant   le   noyau   de   bryophytes.   Il   décrit   alors   l’hétérochromatine   qui   persiste   après   la   mitose   et   l’euchromatine   qui   se   décondense   et   n’est   plus   visible   au   cours   de   l’interphase181.   À   cette   époque,   même   s’il   était   clair   que   la   chromatine   contenait   les   gènes,   sa   nature   moléculaire   n’était   pas   encore   connue.   Heitz   conçoit   alors   que   les   différents   états   de   la   chromatine   pourraient   représenter   des   domaines   nucléaires   fonctionnels,   avec   l’euchromatine   composée   des   gènes   ("genicly   active")  et  l’hétérochromatine  ne  contenant  pas  de  gènes  ("genicly  passive")182.  Dans  les  

années   1960,   l’euchromatine   et   l’hétérochromatine   décrites   par   imagerie   ont   été   biochimiquement   purifiées   à   partir   de   lymphocytes   de   mammifères.   La   quantification   de   l’activité   transcriptionnelle   présente   dans   chacune   de   ces   fractions   a   ainsi   apporté   une   preuve   moléculaire   à   l’hypothèse   de   Heitz  :   alors   que   la   majorité   de   l’ADN   (80%)   est   contenue  dans  la  fraction  hétérochromatinienne,  la  majeure  partie  de  l’activité  de  synthèse   d’ARN  est  présente  dans  le  20%  restant,  constituant  la  fraction  euchromatinienne  183.  Ces   dernières   années,   l’avancée   des   techniques   basées   sur   le   séquençage   à   haut   débit   a   permis   d’affiner   ces   définitions   et   de   révéler   que   ces   deux   territoires   fonctionnels   chromatiniens   corrèlent   avec   des   nucléosomes   portants   différentes   modifications   spécifiques.   Ces   dernières   influencent   la   compaction   de   la   chromatine   ainsi   que   les   interactions   que   les   histones   peuvent   mettre   en   place   avec   des   protéines   nucléaires,   ce   qui  influence  l’organisation  nucléaire  à  plus  grande  échelle184,185.  

De   manière   générale,   l’euchromatine   est   décrite   comme   étant   riche   en   gènes,   en   partie   décondensée   et   transcriptionnellement   compétente.   L’hétérochromatine   quant   à   elle   est   traditionnellement   décrite   comme   étant   pauvre   en   gènes,   fortement   condensée   et   transcriptionnellement   inactive186.   Cependant,   les   domaines   hétérochromatiques   du   génome  ne  sont  pas  si  «  fermés  »  et  inaccessibles  à  la  machinerie  transcriptionnelle  que   premièrement   décrits.   En   effet,   il   a   notamment   été   montré   que   l’hétérochromatine   n’était   que  1,4  fois  plus  condensée  que  l’euchromatine187  et  que  ces  régions  du  génome  étaient  

également   transcrites188–190.   L’hétérochromatine   est   généralement   définie   en   deux  

catégories.  L’hétérochromatine  dite  constitutive,  dont  les  plus  grandes  régions  sont  situées   à   proximité   des   centromères   et   des   télomères,   est   principalement   formée   de   séquences   répétées,   mais   contient   également   quelques   centaines   de   gènes191.   L’hétérochromatine   dite   facultative   est   constituée   de   régions   codantes   pouvant   adopter   les   caractéristiques   structurales   et   fonctionnelles   de   l’hétérochromatine   en   fonction   du   contexte   cellulaire192.   Un  exemple  phare  de  ce  type  d’hétérochromatisation  est  l’inactivation  du  chromosome  X   chez  les  femelles  des  mammifères  (voir  section  1.3.3.1).