ADN, Chromosomes et génomes
STRUCTURE ET FONCTION DE L’ADN
Une molécule d'ADN est composée de deux chaînes complémentaires de nucléotides
Une molécule d'ADN est composée de deux chaînes complémentaires de nucléotides, elle comporte quatre types de sous‐unités de nucléotides.
Chacune de ces chaînes est antiparallèle l’une par rapport à l’autre et est appelée chaîne d'ADN ou brin d'ADN.
Des liaisons hydrogène entre les bases des nucléotides maintiennent les deux chaînes accolées.
L'ADN est composé de quatre types de nucléotides reliés de façon covalente pour former une chaîne polynucléotidique (un brin d'ADN) composée d'un squelette sucre‐phosphate à partir duquel s'étendent les bases (A, C, G et T)
Les têtes de flèche aux extrémités des brins d'ADN indiquent la polarité des deux brins, antiparallèles l'un par rapport à l'autre dans la molécule d'ADN.
Dans le schéma, en bas à gauche de la figure, la molécule d’ADN est montrée sous forme déroulée ; en réalité est enroulée en une double hélice comme sur la figure de droite.
Les nucléotides sont composés d'un sucre à cinq carbones sur lequel sont fixés un ou plusieurs groupements phosphate et une base azotée
Le sucre est un pentose (5C), le désoxyribose que l’on retrouve dans l’ADN lié à un seul groupement phosphate (d'où le nom d'acide désoxyribonucléique)
Les phosphates peuvent être sous forme mono, di ou tri phosphate
Les bases de l’ADN peuvent être : l'adénine (A), la cytosine (C), la guanine (G), la thymine (T) (uracile uniquement dans l’ARN)
Le sucre va s’assembler avec la base par son carbone 1. Le phosphate s’assemble sur le carbone 5 du sucre.
Nomenclature :
Base + sucre → nucléoSide
Base + sucre + phosphate → nucléoTide
La polarité chimique est donnée au brin d'ADN par la façon dont s'alignent les sous‐unités de nucléotides. Si nous nous représentons chaque sucre comme un bloc pourvu d'un bouton saillant (le phosphate en 5') d'un côté et d'un trou (l'hydroxyle en 3') de l'autre. Chaque chaîne complète, formée par des boutons emboîtés dans les trous, aura toutes ses sous‐unités alignées et orientées de la même façon. Chaque chaîne complète, formée par des boutons emboîtés dans les trous, aura toutes ses sous‐
unités alignées et orientées de la même façon. Cette polarité de la chaîne d'ADN est indiquée par le nom de référence donné à chacune de ses extrémités : l'extrémité 3’ et l'extrémité 5’ → Provient de l’orientation du désoxyribose
La structure tridimensionnelle de l'ADN — la double hélice — provient des caractéristiques chimiques et structurelles de ses deux chaînes polynucléotidiques. Comme ces deux chaînes sont maintenues entre elles par des liaisons hydrogène entre les bases des 2 différents brins, toutes ces bases sont à l'intérieur de la double hélice et les squelettes sucre‐phosphate sont à l'extérieur.
Dans chaque cas, une base plus volumineuse comportant deux cycles (une purine) est appariée à une base à un seul cycle (une pyrimidine) : A est toujours appariée à T (2 liaisons hydrogènes) et G est toujours appariée à C (3 liaisons hydrogènes)
Cet appariement complémentaire de bases permet aux paires de bases d'être empilées dans la disposition la plus énergétiquement favorable à l'intérieur de la double hélice. Avec cette disposition, chaque paire de bases
a une largeur identique, ce qui maintient les squelettes sucre‐phosphate à égale distance tout au long de la molécule d'ADN. Pour optimiser l'efficacité de la disposition des paires de bases, les deux squelettes sucre‐phosphate s'enroulent l'un autour de l'autre pour former une double hélice → Un tour complet toutes les dix paires de bases
1 tour complet toutes les 10 paires de bases – 0,34nm entre les paires de nucléotides adjacentes L'enroulement des deux brins l'un sur l'autre crée deux sillons dans la double hélice : le sillon le plus large est appelé « grand sillon » et le plus petit, « petit sillon »
G et A → purine (2 cycles) T et C → pyrimidique (1 cycle)
Les constituants de chaque paire de bases ne peuvent s’adapter l’un à l’autre à l’intérieur de la double hélice que si ses 2 brins de l’hélice sont antiparallèles, c’est-à-dire si la polarité d’un des brins est orientée à l’opposé de l’autre brin. Donc chaque brin contient une séquence de nt exactement complémentaire à la séquence de nt de son partenaire
La structure de l'ADN fournit un mécanisme à l'hérédité
L’ADN est un polymère linéaire avec 4 monomères différents ficelé selon une séquence définie comme les lettres d’un document écrit selon l’alphabet.
Chaque brin d’ADN contient une séquence de nucléotides exactement complémentaire de son brin homologue.
Chaque brin se comporte comme une matrice, un moule, un patron, un modèle (template) pour la synthèse d’un nouveau brin complémentaire
Si on appelle les deux brins S et S’ : S sert de matrice pour former S’ et S’ sert de matrice pour former S
➔ Réplication semi‐conservative
Ainsi l’IG (information génétique) contenue dans l’ADN est copié avec précision par un processus simple au cours duquel chaque brin S se sépare de son brin S’ et chaque brin sert ensuite de matrice pour produire un nv brin complémentaire et identique à son ancien partenaire.
La réplication c’est donc la capacité de chaque brin d’une molécule d’ADN à servir de matrice pour produire un brin complémentaire.
Les organismes diffèrent les uns des autres parce que leurs molécules d'ADN respectives ont des séquences de nucléotides différentes et par conséquent, portent des messages biologiques différents Les gènes contiennent les instructions nécessaires à la production de protéines, les messages de l’ADN doivent donc coder les protéines.
Les protéines sont responsables de ses fonctions biologiques et sont déterminées par sa structure tridimensionnelle.
La séquence linéaire des nt d’un gène doit épeler la séquence linéaire des AA d’une protéines.
Le code génétique est donc la correspondance exacte entre l'alphabet nucléotidique à quatre lettres formant l'ADN et l'alphabet à vingt lettres des acides aminés qui forment les protéines
Ce processus d’expression des gènes est utilisé par une cellule pour traduire la séquence nucléotidique d’un gène dans l’ADN en séquence nt d’une molécule d’ARN (c’est la transcription) puis en séquence d’AA d’une protéine (c’est la traduction).
Le génome c’est la totalité des informations contenues dans l'ADN d'un organisme. Il contient toutes les informations nécessaires à la synthèse des protéines et molécules d'ARN que l'organisme pourra synthétiser
Chez les eucaryotes, l'ADN est enfermé dans le noyau cellulaire
Le noyau contient presque tout l’ADN de la cellule (le reste de l’adn cellulaire est dans les mitochondries), il représente 10% du volume de la cellule, il est limité par une enveloppe nucléaire à double membrane. Il porte l’extension du réticulum endoplasmique. Sa membrane est percée de pores et de lamina nucléaire qui est un réseau de filaments intermédiaires. On retrouve une structure qui s’appelle le nucléole
Image en microcopie électronique : microscope très puissant pouvant regarder dans des détails minuscules
Hétérochromatine (ADN condensée) au contact de la lamina nucléaire (intérieur de l’enveloppe nucléaire) et l’euchromatine (ADN décondensée)
Schéma :
L'enveloppe nucléaire est en continuité avec le réticulum endoplasmique. On retrouve la lamina nucléaire et les pores dans cette enveloppe. Elle permet aux nombreuses protéines qui agissent sur l'ADN de se concentrer là où elles sont utiles dans la cellule, elle sépare aussi les enzymes nucléaires des enzymes cytosoliques, caractéristique cruciale pour le bon fonctionnement des cellules eucaryotes → Exemple de compartimentation qui facilite les réactions
Le compartiment le plus apparent du noyau est le nucléole. Il est le site de la formation des sous-unités ribosomales (complexe associant protéines et ARN, ils servent à la synthèse des protéines en décodant l’information génétique des ARN messagers)
Dans le nucléole on retrouve des composants fibrillaires et granulaires.
L'information génétique est portée par la séquence linéaire de nucléotides de l'ADN
Chaque molécule d'ADN est une double hélice formée de deux brins complémentaires antiparallèles de nucléotides reliés l'un à l'autre par des liaisons hydrogène entre les paires de bases G‐C et A‐T
La duplication de l'information génétique s'effectue par l'utilisation d'un des brins d'ADN comme matrice pour la formation d'un brin complémentaire
L'information génétique stockée dans l'ADN d'un organisme contient les instructions pour toutes les ARN et protéines que l'organisme synthétisera et on dit qu'elle contient son propre génome
Chez les eucaryotes, l'ADN est contenu dans le noyau cellulaire, un grand compartiment entouré d'une double membrane
L’ADN CHROMOSOMIQUE ET SON EMPAQUETAGE DANS LA FIBRE DE CHROMATINE
L'ensemble des doubles hélices d'ADN des 46 chromosomes étirées et mises bout à bout humains, représente environ 2 mètres de long dans chaque cellule → Le noyau qui contient cet ADN ne fait que 6 µm de diamètre. Cela équivaut à empaqueter 40km d’un fil très fin dans une balle de tennis … Il existe alors des protéines spécialisées qui se fixent sur l‘ADN et la replient en une série d'enroulements et de boucles qui produisent des niveaux d'organisation de plus en plus élevé et évitent que l'ADN ne devienne un enchevêtrement inextricable
Toutefois reste facilement accessible aux nombreuses enzymes cellulaires qui la répliquent, la réparent ou utilisent ses gènes pour produire des molécules d’ARN et de protéines.
L'ADN eucaryote est empaqueté dans un ensemble de chromosomes
Chaque chromosome est composé d'une seule molécule d'ADN linéaire (dans une cellule on a 46 molécules d’ADN) excessivement longue associée à des protéines qui replient et empaquètent le fin fil d'ADN, en une structure plus compacte
Il existe d’autres protéines et de molécules d’ARN nécessaires aux processus fondamentaux de l’ADN.
Chromatine : complexe formé par l’ADN et toutes ses protéines.
Chaque cellule humaine contient deux copies de chaque chromosome : une héritée de la mère, une héritée du père. Au total 46K : 22 paires communes aux sexes F et M + 2 K sexuels (XX chez la femme – XY chez l’homme). L’ADN est compactée au sein de ces K.
On observe les K en phase de mitose avec un caryotype. Les chromosomes 1 sont les plus gros.
Les chromosomes contiennent de longues files de gènes
On observe un chromosome, contenant de nombreux gènes.
Un gène se définit généralement comme un segment d'ADN qui contient les instructions nécessaires à la synthèse d'une protéine particulière (ou d'un ensemble de protéines apparentées)
En observant un seul gène on repère différentes séquences : introns et exons - Les introns seront éliminés (épissés)
- Les exons sont codants pour la protéine
Les chromosomes portent les gènes qui sont les unités fonctionnelles de l'hérédité Certains gènes produisent des molécules d’ARN et non d’ADN.
La plupart des chromosomes des espèces possèdent en plus de leur gène une grande quantité d’ADN intercalé, dont la fonction est mal connue. Cependant, une partie de cet ADN est capitale pour l'expression correcte de certains gènes.
La séquence des nucléotides du génome humain indique comment les gènes sont disposés chez l'homme
Ordre d’idée (chiffres à ne pas retenir !!)
Entre 3 et 4 x 10^9 paires de nt dans le génome humain 21 000 gènes codent pour des protéines
9000 gènes codent pour des ARN
Taille moyenne du gène humain : 27 000 paires de nucléotides
Entre 1 exon et 178 exons par gènes
Si chaque paire de nt était représentée avec un espace de 1mm entre chaque base, le génome humain s’étendrait du 3200km, assez pour s’étirer d’un bord à l’autre de l’Afrique. Il y aurait en moyenne 1 gène codant une protéine tous les 130 mètres et l’ensemble des exons ne mesurerait qu’un mètre.
Une petite partie (seulement quelques pourcents) code effectivement les protéines
Presque la moitié de l'ADN chromosomique est constituée de courts morceaux mobiles d'ADN : ce sont les éléments transposables, ils se sont insérés peu à peu dans le génome au cours de l’évolution.
Un gène type porte dans sa séquence linéaire de nucléotides les informations permettant de construire la séquence linéaire en acides aminés d'une protéine.
En plus des introns et des exons, associées à chaque gène responsable du contrôle, de la mise en route, ou de l'arrêt, de l'expression du gène, à un niveau adapté, au bon moment et uniquement dans le bon type cellulaire
Chromosome mitotique
On retrouve plusieurs régions : la partie rétrécie est le centromère.
Les chromosomes doivent porter les gènes mais aussi se répliquer, et aussi séparer et répartir des copies dans les cellules filles à chaque division → se réalise au cours du cycle cellulaire
Le cycle cellulaire est une suite d’étapes bien définies qui permet la séparation temporelle entre la séparation des K et leur ségrégation dans les 2 cellules filles.
Pendant l’interphase, a lieu l’expression des gènes. L’ADN de chacun des K se duplique, formant 2 chromatides sœurs. Puis, pdt la mitose, chaque K sœur se sépare pour aller dans chacune des 2 cellules filles.
Les chromosomes mitotiques sont une forme du chromosome hautement condensée qui est présent dans la cellule en division. C’est la forme sous laquelle les chromosomes sont les plus facilement visibles. Un chromosome mitotique est un chromosome condensé répliqué dans lequel les deux nouveaux chromosomes appelés chromatides sœurs sont toujours liés ensemble. La région rétrécie au centre correspond au centromère.
Pour qu’une copie passe dans chaque cellule fille à chaque division il faut que chaque chromosome se réplique que les nouvelles copies se séparent et se répartissent correctement dans les deux cellules fille ➔ chaque chromosome se comporte comme une unité structurale
Les 3 séquences nucléotidiques spécialisées dans les 3 fonctions de base :
- Réplication - Séparation - Ségrégation
Chaque K a de multiples origines de réplication, un centromère et 2 télomères à chaque extrémité.
L’ADN se réplique pdt l’interphase en commençant aux origines de réplication et en se dirigeant de façon bi-directionnelle tout le long du K, pour finalement former 2 chromatides sœurs. Puis pdt la mitose, le centromère fixe les K dupliqués au fuseau mitotique, de telle sorte qu’une copie du génome entier soit distribué à chaque cellule fille.
Le centromère est une séquence d’ADN spécialisée qui permet à chaque copie d’ADN dupliquée et condensée d'être tirée vers chaque cellule fille, au moment de la division cellulaire
Les télomères sont des séquences spécialisées d’ADN, qui sont présentes aux extrémités du chromosomes. Les télomères contiennent des séquences répétitives de nucléotides qui permettent aux extrémités des chromosomes d'être répliquées efficacement.
Les nucléosomes sont les unités de structure de base des chromosomes eucaryotes
Traditionnellement divisées en deux grandes classes : Histones et les protéines chromosomiques non histones
Protéines + ADN nucléaire des cellules eucaryotes = chromatine
La quantité d'histones présentes dans la cellule est si importante (environ 60 millions de molécules de chaque type par cellule humaine) que leur masse totale dans la chromatine est à peu près égale à celle de l'ADN
Dans le chromosome : en masse, il y a 1/3 d’ADN et 2/3 de protéines
L’ADN s’enroule autour des protéines histones, formant le nucléosome.
Les histones sont responsables du premier niveau, le plus fondamental, de l'organisation chromosomique : le nucléosome
La fibre de 30 nm (de diamètre) : représente la majorité de la chromatine en microscopie électronique Le collier de perle (ADN qui a subi des traitements) : il est composé du
fil d’ADN et de chaque perle qui est le noyau protéique formé d’histone → fibre de 10 nm (10 nm c’est la taille des nucléosome)
Le cœur du nucléosome est un complexe de huit protéines histones → octamère d’histones : (bien connaître)
- 2 molécules de l’histone H2A - 2 molécules de l’histone H2B - 2 molécules de l’histone H3 - 2 molécules de l’histone H4
- Et d'un double brin d'ADN qui mesure 147 paires de nucléotides
L’octamère d’histone est le noyau protéique autour duquel s’enroule le double brin d’ADN.
L’ADN de liaison est l’ADN exposé entre les cœurs de nucléosomes. Sépare chaque particule de « cœur de nucléosome » de la suivante (environ 80 paires de bases)
Répartition des nucléosomes :
- Les nucléosomes se répètent à intervalle régulier d’environ 200 paires de nt - La formation de ces nucléosomes transforme la molécule d’ADN en un fil de chromatine mesurant environ 1/3 de sa longueur initiale
La structure du cœur du nucléosome révèle le mode d'empaquetage de l'ADN
Les protéines histones s’unissent pour former un dimère H3-H4 et un dimère H2A-H2B.
L’assemblage des 2 dimère H3- H4 forme un tétramère
Le noyau octamérique compact est composé d’un tétramère H3- H4 et de 2 dimères H2A-H2B.
L’ADN fait 1,7 tours autour de l’octamère d’histone.
Les histones possèdent des queues N-terminales qui ressortent du nucléosome. Ces queues d'histone sont soumises à divers types de modifications covalentes qui, à leur tour, contrôlent de nombreux aspects de la structure et des fonctions de la chromatine.
Les nucléosomes ont une structure dynamique et sont souvent soumis à des modifications catalysées par des complexes de remodelage de la chromatine dépendant de l'ATP
Une fois lié a l’ADN, le nucléosome ne reste pas figé, il peuvent glisser l’un sur l’autre pour libérer des régions de l’ADN pour rendre accessible le matériel génétique
Les complexes de remodelage de la chromatine se lient à la fois au cœur protéique du nucléosome et à la double hélice d’ADN qui s’enroule tout autour. En utilisant l'énergie libérée au cours de l'hydrolyse de l'ATP, l'ADN est déplacé par rapport au cœur et cette sous-unité enzymatique modifie temporairement la structure du nucléosome, rendant ainsi l'ADN un peu moins fortement lié au cœur des histones
Par des cycles successifs d'hydrolyse de l'ATP, les complexes de remodelage peuvent ainsi catalyser le glissement des nucléosomes et, en déplaçant le cœur du nucléosome de l'ADN, ils rendent l'ADN du nucléosome accessible aux autres protéines de
la cellule.
Il existe un relâchement supplémentaire des liaisons entre ADN et histones est clairement nécessaire car, les cellules eucaryotes contiennent une grande variété de complexes de remodelage de la chromatine, ATP-dépendants.
De plus, en coopérant avec d’autres protéines qui se lient aux histones et qui servent de chaperon aux histones, certains complexes de remodelage sont capables d'enlever soit la totalité, soit une partie du cœur du nucléosome ; catalysant ainsi soit un échange d'histones H2A-H2B, soit l'enlèvement de la totalité de l'octamère d'histones de l‘ADN.
Sur le schéma on voit que le nucléosome a une structure différente (jaune et orange). On voit également qu’on peut dissocier le nucléosome de l’ADN et incorporer un nouveau nucléosome.
Les nucléosomes sont généralement compactés en une fibre de chromatine compacte
La fibre de 30 nm :
Bien que de longs rubans de nucléosomes se forment sur l'ADN chromosomique, la chromatine des cellules vivantes adopte rarement la forme de « collier de perles » que nous avons déjà̀ vue. Au lieu de cela, les nucléosomes s'empilent les uns sur les autres, constituant ainsi des rangées régulières dans lesquelles l'ADN est encore plus compacté. La chromatine est vue sous forme d'une fibre de 30 nm de diamètre environ, ce qui est considérablement plus gros que la taille de la chromatine organisée sous forme de « collier de perles »
Le modèle dit en zigzag est le modèle du tétra nucléosome pour le compactage des nucléosomes en fibre de 30 nm.
Le fort compactage des nucléosomes pour former une fibre de 30 nm est permise par les liaisons de nucléosomes à nucléosome entre les queues des histones et surtout les queues de H4.
Les queues de l’histone H4 interagissent entre elles et permettent aux nucléosomes de s’empiler.
Autre facteur de compaction :
L’histone H1 est une histone supplémentaire qui est souvent présente dans un ratio 1/1 avec les cœurs de nucléosome → Appelée histone de liaison. Elle est considérablement moins bien conservée au cours de l'évolution ➔ ils sont considérés comme des histones extra-nucléosomales
Une seule molécule d'histone H1 se lie à chaque nucléosome, entrant en contact à la fois avec l'ADN et la protéine, elle modifie le cheminement de l'ADN lors de sa sortie du nucléosome
Schéma du tétranucléosome complet Le quatrième nucléosome n'est pas visible car il est empilé sur le nucléosome du bas et dans un plan arrière sur le schéma
Résumé :
Un gène est une séquence nucléotidique d'une molécule d'ADN qui agit en tant qu'unité fonctionnelle afin de produire une protéine, un ARN de structure ou une molécule d'ARN
Chez les eucaryotes, les gènes codant les protéines sont généralement composés de segments alternés d'introns et d'exons associés à des régions régulatrices de l'ADN
Un chromosome est formé d'une seule molécule d'ADN excessivement longue qui contient de nombreux gènes organisés linéairement auxquelles sont liées de nombreuses protéines
Le génome humain contient 3,2 x 109 paires de nucléotides, divisées en 22 chromosomes différents ou autosomes (chacun présent en deux copies) et deux chromosomes sexuels
Seul un faible pourcentage de cet ADN code les protéines ou les ARN fonctionnels
Une molécule d'ADN chromosomique contient aussi trois autres types de séquences de nucléotides fonctionnellement importantes : Les origines de réplication et les télomères, qui permettent la réplication complète de la molécule d'ADN, et le centromère qui attache les 2 molécules d'ADN filles au fuseau mitotique, assurant leur séparation exacte entre les deux cellules filles, pendant la phase M du cycle cellulaire.
L'ADN des eucaryotes est fermement lié à une quantité égale d'histones qui permettent la formation de rangées répétitives de particules mixtes ADN-protéines appelées nucléosomes
Le nucléosome est composé d'un cœur octamérique de protéines histones autour desquelles s'enroule la double hélice d'ADN
Les nucléosomes sont espacés à intervalles d'environ 200 paires de nucléotides et, ils sont en général empaquetés les uns sur les autres (à l'aide des molécules d'histones H1), en rangées quasi régulières, qui forment au final une fibre de chromatine de 30 nm de diamètre
Malgré son fort degré de compactage, la structure de la chromatine doit être très dynamique afin de permettre l'accès à l'ADN
Dans le nucléosome il existe des réactions spontanées d'enroulement et de déroulement de l'ADN ; cependant, la stratégie générale pour les modifications réversibles de la structure locale de la chromatine met en avant des complexes de remodelage de la chromatine-ATP dépendants
Les cellules contiennent toute une panoplie de tels complexes, qui sont conçus pour des régions spécifiques de la chromatine, à des moments appropriés
Ces complexes de remodelage collaborent avec des chaperons d'histones pour permettre aux cœurs d'histones d'être repositionnés correctement, reconstruits avec des histones différentes ou complètement éjectés afin de mettre à nu et exposer l'ADN sous-jacent
Mots clés (à savoir +++) :
- Un gène code pour une protéine ou pour de l’ARN - Un gène est constitué d’introns et d’exons
- Les gènes sont contenus dans l’ADN, elle-même contenue dans les K
- Ces K possèdent des origines de réplications, des télomères et un centromère
- L’ADN est organisée sous forme de nucléosome, constitué d’histone, se compactant les uns sur les autres formant la fibre de chromatine de 30nm
- Il existe des complexes de remodelage de la chromatine
STRUCTURE ET FONCTION DE LA CHROMATINE
Il existe de 2 types de chromatine dans le noyau d’une cellule en interphase : une forme de chromatine extrêmement condensée → l’hétérochromatine ; et une forme de chromatine bcp plus lâche → l’euchromatine.
L’hétérochromatine représente une forme particulièrement compacte de la chromatine. Elle est surtout hautement concentrée en des endroits stratégiques particuliers et notamment, au niveau des centromères et des télomères. Dans une cellule typique de mammifère, plus de 10% du génome est ainsi empaqueté.
L’hétérochromatine est ce que l’on voit en foncé dans la cellule, elle a tendance à se condenser sous la lamina nucléaire.
L'ADN de l'hétérochromatine comprend très peu de gènes, les quelques gènes qu’elle contient sont muets (ne peuvent plus être traduits en protéine).
Les histones du cœur subissent des modifications covalentes sur de nombreux sites différents
Les chaînes latérales des acides aminés des quatre histones du cœur du nucléosome sous soumises à une remarquable variété de modifications covalentes : acétylation des lysines, mono-, di- et triméthylations des lysines, phosphorylation des sérines.
Chacune de ces modifications a une signification bien précise pour la cellule car elles sont reconnues par des protéines de liaisons différentes.
On retrouve aussi des phénomènes de méthylation de l’arginine et de phosphorylation de de la thréonine.
Un grand nombre de ces modifications de chaînes latérales ont lieu sur les huit parties N-terminales des « queues des histones » qui sont relativement moins bien structurées que le reste du nucléosome et sortent du nucléosome. Cependant, il existe aussi plus de 20 modifications possibles au nv du cœur des histones.
On voit que chaque protéine histone peut subir de nombreuses modifications.
Tous les types de modifications, cités ci-dessus, sont réversibles : il y a une enzyme spécifique pour une modification donnée et une autre pour la retirer. Ces enzymes sont très spécifiques.
Les groupements acétyles sont ajoutés à certaines lysines particulières par un ensemble d'histone acétyl transférases (HAT) et retirés par un ensemble de complexes de désacétylation des histones (HDAC).
Les radicaux méthyles sont ajoutés aux chaînes latérales des lysines, par des histones méthyl- transférases et retirés par un ensemble d'histone déméthylases.
Le complexe SWI/SNF est un complexe de remodelage de la chromatine, permettant de faire glisser les nucléosomes. On a une collaboration entre les complexes de remodelage et les complexes d’acétylation, méthylation, etc. Le fait de dérouler l’ADN permet à d’autres protéines d’effectuer des actions sur l’ADN. Une modification donnée entraine un message.
La chromatine acquiert une variété supplémentaire par l'insertion de petites quantités de variants d’histones sur des sites particuliers
En plus des quatre principaux histones très conservées les eucaryotes peuvent aussi contenir quelques variants d’histones qui s'assemblent dans le nucléosome. Ces histones sont présentes en beaucoup plus petites quantités que les quatre histones majeures et elles ont été beaucoup moins bien conservées, au cours de l'évolution. À l'exception de l'histone H4 et H2B des variants existent pour chacune des histones du cœur.
Les variants ont des rôles spécifiques lors du cycle cellulaire (création du kinétochore par exemple
= complexe protéique servant à séparer e=les chromosomes pendant la mitose). On peut citer le variant CENCA
Les histones principales sont principalement synthétisées au cours de la phase S du cycle cellulaire et assemblées en nucléosomes, sur les hélices de l'ADN des cellules filles, juste après la fourche de réplication. Par opposition, les variants d'histones sont synthétisés, dans leur majorité, tout au long de l'interphase.
Les variants d’histones sont souvent insérés dans de la chromatine déjà formée et nécessite un échange de d’histone catalysé par des complexes de remodelage de la chromatine ATP dépendants.
Ces complexes de remodelage de la chromatine contiennent des sous-unités qui leur permettent de de se lier à la fois à des sites spécifiques de la chromatine et à des chaperons d’histones qui portent un variant particulier. Il en résulte que chaque variant d’histone est inséré dans la chromatine de manière très sélective.
Les modifications covalentes et les variants d'histones agissent de concert pour contrôler les fonctions du chromosome
Sur un nucléosome individualisé, le nombre de marquages distincts possible est colossal. De plus, une cause de diversité supplémentaire est créée par la présence de nucléosomes porteurs de variants d'histones
Toutefois on sait que les modifications des histones surviennent sous forme d’ensembles coordonnés en un tout : on a ainsi pu identifier plus de 15 tels ensembles
Le nb de combinaisons possibles semble avoir un sens particulier pour la cellule, ces combinaisons déterminent comment et quand l’ADN empaquetée dans les nucléosomes peut être approchée.
Un complexe protéique reconnait une modification ou une combinaison spécifique de modification d’histone.
Il en résulte un complexe de lecture du code, afin de permettre que des combinaisons particulières de marqueurs sur la chromatine conduisent au recrutement de complexes protéiques supplémentaires qui permettront l'exécution correcte d'une fonction biologique appropriée au moment voulu.
Le complexe de lecture reconnait les modifications et recrute un autre complexe protéique qui aura une fonction supplémentaire pour assurer une fonction donnée.
Quelques significations du code des histones :
Une méthylation d’une lysine des histones entraine la formation d’hétérochromatine, le gène devient donc silencieux. Une acétylation d’une lysine des histones entraine l’expression normale du gène. Une tri-méthylation des lysines rendra silencieux les gènes.
Un complexe de protéines de lecture et d'écriture du code peut propager des modifications précises de la chromatine, le long d'un chromosome
Il existe une protéine qui permet de recruter une enzyme modifiant les histones (l’écrivain), elle marque les histones. Par la suite la marque est lue par le complexe de lecture qui travaille de concert avec l’enzyme d’écriture qui peut être transférée sur le nucléosome suivant et modifier ce dernier ->
propagation
Le cycle lecture-écriture positionne l'enzyme d'écriture qui lui est attachée près d'un nucléosome adjacent. Par de nombreux cycles de lecture-écriture, la protéine de lecture peut ainsi porter l'enzyme d'écriture tout le long de l'ADN, étendant ainsi le marquage, en quelque sorte de main en main tout au long du chromosome
Un mécanisme analogue est utilisé pour retirer les modifications des histones hors de régions spécifiques d’ADN : « Enzyme gomme ». Elle est recrutée vers le complexe et peut être une histone dé-méthylase ou histone désacétylase. Comme pour le complexe de lecture, ce sont des protéines de liaisons spécifiques de séquences d’ADN qui décident où ces modifications doivent se faire.
Il existe des protéines de barrière pour stopper la propagation du complexe lecture- écriture
Le complexe protéique qui permet l'écriture est une enzyme qui crée une modification particulière sur une ou plusieurs des quatre histones du nucléosome. Après son recrutement sur un site particulier du chromosome, grâce à une protéine régulatrice de gène, l'écrivain collabore avec la protéine de lecture du code des histones, pour propager sa marque de nucléosome en nucléosome, grâce à ce complexe de lecture-écriture. Pour que ce mécanisme fonctionne correctement, le lecteur doit reconnaître la même modification des histones que celle produite par l'écriture ; on peut montrer que la liaison du lecteur à la modification des histones active l’écrivain. Dans cet exemple schématique une vague de condensation de chromatine est induite. Les autres protéines impliquées pour repositionner les nucléosomes modifiés dont le complexe de remodelage de la chromatine dépendant de l’ATP, ne sont pas montrées.
La chromatine des centromères révèle comment les histones modifiées peuvent créer des structures particulières
On pense que la présence de nucléosome porteurs d’histones modifiées est un signe de reconnaissance exceptionnellement durable, porté par la chromatine.
Cette chromatine contient une variété d'histone H3 modifiée spécifique du centromère, connue sous le nom de CENP-A, plus quelques protéines supplémentaires qui tassent les nucléosomes sous une forme particulièrement dense donnant naissance au kinétochore, une structure particulière nécessaire à l'ancrage du fuseau mitotique.
Certaines structures chromatiniennes peuvent être directement transmises par hérédité
On voit que les modifications d’histones ont été transmises. De ce fait des protéines induisant l’hétérochromatine vont être recrutées et se propager pour maintenir l’hétérochromatine dans les cellules mère et filles.
