M E D E C I N E S C I E N C E S M E D E C I N E / S C I E N C E S 2008 ; 24 : 7 1 5-9
> La c h r o m a t m e , f o r m é e de l’ e n r o u le m e n t d ’ADN
a u t o u r d ’ un cœ ur d 'h is to n e s , s’ org an is e s u i v a n t
d i f f é r e n t s nivea ux de c o m p a c t io n : de la p a r t i c u l e
cœ ur de n u c lé o s o m e (NCR p o u r n u c le o s o m e core
p a r t i c l e ) à l ’ o r g a n is a t io n en c h ro m o s o m e s dans
le noyau . La s t r u c t u r e du p re m ie r n ive a u d ’ o r g a n i
s a tio n de la c h r o m a t in e , la NCR, a été d é t e r m in é e
sans a m b ig u ï t é pa r c r is t a l lo g r a p h ie . L’ o rg a n is a t io n
de la c h r o m a t in e est d y n a m iq u e e t régulé e p a r de
no m bre ux f a c t e u r s p o ur que l’ADN s o i t acce ssib le
e t la c h r o m a t in e f o n c t i o n n e l l e . N o t a m m e n t , des
m o d i f i c a t i o n s p o s t - t r a d u c t i o n n e l l e s des histo ne s
a l t è r e n t les charge s de leurs e x t r é m i té s a m i n o - e t
c a r b o x y - t e r m in a le s e t s o n t ainsi s u s c e p tib le s de
réguler le degré de c o m p a c t io n de la c h r o m a t in e .
Des f a c t e u r s de re m o d e la g e p e r m e t t e n t é g a le m e n t
le g lis s e m e n t r e l a t i f de l ’ADN a u t o u r des histo ne s
e t a u g m e n t e n t son a c c e s s ib ilité . <
C h a q u e c e l l u l e e u c a r y o t e , c e l l u l e q u i p a r d é f i n i t i o n p o s s è d e un n o y a u , d o i t s t o c k e r des q u a n t i t é s c o l o s s a l e s d ’ i n f o r m a t i o n g é n é t i q u e p o r t é e s p a r de l ’ADN ( a c i d e d é s o x y r i b o - n u c l é i q u e ) n u c l é a i r e . Le g é n o m e h u m a i n c o m p o r t e t r o i s m i l l i a r d s de p a i r e s de b a s e d ’ADN qu i m is e s b o u t à b o u t , s’ a s s e m b l e n t su r e n v i ro n un m è t r e de l o n g . Le m è t r e d ’ADN h u m a i n , r é p a r t i en 46 c h r o m o s o m e s , e s t c o n f i n é d a n s un n o y a u de d i m e n s i o n s m i c r o m é t r i q u e s ( e n t r e I e t 10 m i c r o m è t r e s e n v i r o n ) . Da ns un t a m p o n p h y s i o l o g i q u e ( 1 5 0 mM en sels m o n o v a l e n t s ) , c h a q u e m o l é c u l e d ’ADN f o r m e r a i t une p e l o t e de 100 p m de d i a m è t r e d o n t les d i m e n s io n s s e r a i e n t t r è s s u p é r i e u r e s à c e l l e s d u n o y a u . Pour a s s u r e r un t e l d e g r é de c o m p a c t i o n , l ’ADN n’ e s t pa s nu m a is s’ a s s e m b l e en un e s t r u c t u r e c o m p l e x e d é n o m m é e c h r o m a t i n e , c o n s t i t u é e d ’ADN, de p r o t é i n e s b a s iq u e s a p p e l é e s h i s t o n e s e t de p r o t é i n e s no n h i s t o n e s , g é n é r a l e m e n t p lu s g r o s s e s q u e les h i s t o n e s , e t p r é s e n t e s en q u a n t i t é p l u s f a i b l e . Le r ô le de ce s p r o t é i n e s n o n h i s t o n e s ne s e r a pa s d i s c u t é en d é t a i l s d a n s c e t a r t i c l e , m a i s l ’ on p e u t c i t e r à t i t r e d ’ e x e m p l e les p r o t é i n e s I de l ’ h é t é r o c h r o m a t i n e ( H P l ) [ I ] , ou les p r o t é i n e s SMC ( s t r u c t u r a l m a i n t e n a n c e o f c h r o m o s o m e s ) [ 2 ] , M a lg r éStructure
e t dynamique de
la particule cœur
de nucléosome
Aurélie Bertin, Stéphanie Mangenot
A. B e rtin : U n iv e rs ity o f C a lifo rn ia Berkeley, M o le c u la r and C e llu la r B io lo g y D e p a rtm e n t, B erkeley CA 9 4 7 2 0 -3 2 2 0 , E ta ts -U n is . S. M a n g e n o t : U n ive rsité P a rls-S u d , 15, rue Georges C lém enceau, 91405 Orsay Cedex, France. I n s titu t Curie, U M R l6 8 - CNRS, 26, rue d ’ Ulm,
75248 Paris Cedex 05, France s te p h a n ie .m a n g e n o t@ c u rie .fr un d e g r é de c o m p a c t i o n e x t r ê m e m e n t i m p o r t a n t , l ’ADN d o i t ê t r e a c c e s s i b l e à t o u t e la m a c h i n e r i e t r a n s c r i p - t i o n n e l l e q u i c o n t r ô l e sa r é p l i c a t i o n , sa t r a n s c r i p t i o n e t sa r é p a r a t i o n . C’ e s t p o u r a s s u r e r c e t t e a c c e s s i b i l i t é q u e la c h r o m a t i n e d o i t s u b i r de s t r a n s i t i o n s s t r u c t u ra le s d y n a m i q u e s .
La p a rtic u le cœ ur de nucléosom e
Les L i s t o n e s s o n t g l o b a l e m e n t c h a r g é e s p o s i t i v e m e n t p a r la pr é se n ce de n o m b r e u x a c i d e s a m i n é s a r g i n i n e e t lys in e. On d i s t i n g u e d e u x c a t é g o r ie s d i s t i n c t e s d ’ h i s t o n e s . Les L i s t o n e s de c œ u r H2A, H2B, H3 e t H4 s o n t a s s o c ié e s à l'ADN p o u r f o r m e r les p a r t i c u l e s c œ u r de n u c lé o s o m e . Le r e p l i e m e n t de !’ L i s t o n e H3 a u se in de la p a r t i c u l e c œ u r de n u c l é o so m e e s t p r é s e n t é sur la Fig ure 2. Les L i s t o n e s de l i a i s o n ( H l ou HS) i n t e r v i e n n e n t d a n s des n i v e a u x d ’ o r g a n i s a t i o n s u p é r i e u r s de la c h r o - m a t i n e . Les L i s t o n e s de c œ u r o n t un e ma sse m o l é c u l a i r e d ’ e n v ir o n 10 à 15 kD a, p lu s f a i b l e qu e c e l le des L i s t o n e s de l i a i s o n (21 k D a ) . La s é q u e n c e en a c i d e s a m in é s des L i s t o n e s H 2A, H2B, H3 e t H4 a é té r e m a r q u a b l e m e n t b ie n c o n s e rv é e au c o u rs de l ’ é v o l u t i o n . La sé q u e n c e d ’ h i s t o n e H4 de t h y m u s de v e a u ne d i f f è r e p a r e x e m p le qu e de d e ux a c i d e s a m i n é s de ce ll e d u p e t i t p o is [ 3 ] , La ré g io n la plu s c o n s e rv é e de ces L i s t o n e s e s t l e u r d o m a i n e c e n t r a l s t r u c t u r é c o m p o s é d u « m o t i f L i s t o n e f o l d » q u i c o m p r e n d t r o i s h é li c e s s é p a ré e s p a r d e u x b o u c le s ( F ig u re 2 ) . En r e v a n c h e , les e x t r é m i t é s a m i n o - e t c a r b o x y - t e r m i n a l e s de ces L i s t o n e s , a u ss i a p p e l é e s « q u e u e s de s L i s t o n e s » s o n t p lu s v a r i a b l e s e t no n s t r u c t u r é e s . Ces e x t r é m i t é s s o n t le s i t e des m o d i f i c a t i o n s p o s t - t r a d u c t i o n n e l l e s q u e n o us d é c r i r o n s p a r la s u i t e . D ans des c o n d i t i o n s i o n iq u e s p h y s io l o g i q u e s , les L i s t o n e s H3 e t H4 s’ a s s o c ie n t en t é t r a m è r e s ( H 3 - H 4 ) 2 a lo r s qu e les L i s t o n e s H2A e t H2B f o r m e n t des d im è r e s . A f o r t e c o n c e n t r a t i o n en sels m o n o v a l e n t s (>1,2 M ) , les L i s t o n e s s’ a s s o c i e n t en o c t a m è r e s d a n s une o r g a n i s a t i o n t r i p a r t i t e : un t é t r a m è r e ( H 3 - H 4 ) 2 e t d e u x d im è r e s H 2 A -H 2 B . A v a n t 19 70, les L i s t o n e s é t a i e n t c o n s i d é r é e s c o m m e li é e s u n i f o r m é m e n t à l’ ADN sa n s o r g a n i s a t i o n p a r t i c u l i è r e d a n s un m o d è l e de s u r e n r o u l e m e n t [ 4 ] , En 1973, Hewish e t B ur g oy ne m o n t r e n t q u e l ’ADN e x t r a i t de n o y a u x de f o i e s de r a t s t r a i t é s à l a n u c lé a s e e s t d i g é r é en Chromatine W
mjÿf
m*s*
ADN Particule coeur de nucléosome ’ H 3 "HD20 Á
u n it é s de t a i l l e é g a l e [ 5 ] . En 1974, K o r n b e r g d é m o n t r e la s t r u c t u r e p é r i o d i q u e d ’ un c o m p l e x e n u c l é o p r o t é i q u e [ 6 ] . En j a n v i e r 19 74, O li ns e t O li ns p u b l i e n t p o u r la p r e m i è r e f o i s des i m a g e s de m i c r o s c o p i e é l e c t r o n i q u e o ù un e s t r u c t u r e en « c o l l i e r de pe rle s » r e p r é s e n t a t i v e d e l a c h r o m a t i n e e s t m is e en é v i d e n c e [ 7 ] , C h a q u e p e r l e c o n s t i t u e une p a r t i c u l e c œ u r de n u c l é o s o m e ( N CP, n u c l e o s o m e c o r e p a r t i c l e ) . Ce c o m p l e x e n u c l é o p r o t é i q u e a u n e m a sse m o l é c u l a i r e d ’ e n v ir o n 205 kDa, ADN e t L i s t o n e s c o n t r i b u a n t c h a c u n p o u r m o i t i é à la m a sse m o l é c u l a i r e t o t a l e . Une p r e m i è r e s t r u c t u r e c r i s t a l l o g r a - p h i q u e de n u c lé o s o m e s a é t é o b t e n u e à 7 A de r é s o l u t i o n à p a r t i r d e c o m p l e x e s n a t i f s d o n t la lo n g u e u r d ’ADN a s s o c ié e a u x L i s t o n e s s’ é l e v a i t à 146 ± 2 pb [ 8 ] , La s t r u c t u r e c r i s t a l I o g r a p h i q u e des NCP a é t é ré s o lu e il y a p r e s q u e 10 ans à 2,8 A de r é s o l u t i o n [ 9 ] , L’ o b t e n t i o n de c e t t e s t r u c t u r e a n é c e s s i t é l ’ u t i l i s a t i o n d ’ADN e t d ’ h i s t o n e s r e c o m b i n a n t s a f i n d ’ o b t e n i r de s p a r t i c u l e s p a r f a i t e m e n t i d e n t i q u e s e t p a r c o n s é q u e n t f a c i l i t a n t l’ o b t e n t i o n de c r i s t a u x d i f f r a c t a n t s à p lu s h a u t e r é s o l u t i o n . La F ig ur e 3A i l l u s t r e c e t t e s t r u c t u r e . Les NCP s o n t c o n s t i t u é e s d ’ un o c t a m è r e d ’ h i s t o n e s , f o r m é s p a r l ’ a s s e m b l a g e d u t é t r a m è r e ( H 3 - H 4 ) 2 f l a n q u é p a r d e u x d im è r e s H 2 A -H 2 B , a u t o u r d u q u e l s’ e n r o u l e s u r un t o u r t r o i s q u a r t , en un e h é li c e g a u c h e , u n e l o n g u e u r d ’ADN de 146 p a ir e s de b a se s. Ces p a r t i c u l e s p o s s è d e n t un p s e u d o - a x e de s y m é t r i e b i n a i r e o u axe d y a d e . Les NCP a in s i c r i s t a l l i s é e s ne s o n t pas c o m p l è t e m e n t s y m é t r i q u e s . Une m o i t i é c o m p o r t e 73 pb a lo r s q u e la m o i t i é c o m p l é m e n t a i r e n’ en c o m p r e n d q u e 72, l’ ax e de s y m é t r i e t r a v e r s a n t une ba se . En m o y e n n e , l ’ADN des NCP c r i s t a l l i s é e s c o m p o r t e 10,2 pb p a r t o u r , ce qu i e s t i n f é r i e u r de 0,3 pb à un ADN B c a n o n i q u e . L’ADN s u b i t d o n c un s u r e n r o u l e m e n t g l o b a l q u i e s t p a r t i c u l i è r e m e n t r e m a r q u a b l e a u se in de la m o i t i é qu i ne c o m p t a b i l i s e q u e 72 pb o ù s o n t d é n o m b r é e s 9,4 pb p a r t o u r d ’ADN. La l o n g u e u r d ’ADN e n r o u l é a u t o u r de l’ o c t a m è r e d ’ h i s t o nes c o r r e s p o n d e x a c t e m e n t à la l o n g u e u r d e p e r s i s t a n c e de l ’ADN. Des i n t e r a c t i o n s p r iv i l é g i é e s d o i v e n t d o n c ê tr e mi se s en œ u v re e n t r e o c t a m è r e d ’ h i s t o n e s e t ADN a f i n de p a r v e n i r à c o u r b e r la m o lé c u l e d ’ADN e t à m a i n t e n i r
F ig u re I . A p p a rie m e n t des p a ire s d e bases c o m p lé m e n ta ire s p o u r fo rm e r la s tru c tu re en h é lic e d r o ite de l ’ADN. Au sein des
F
A 3
s
?Figure 2. R epliem ent de l ’h istone H3 au sein de la p a rtic u le cœ ur de nuctéosome en vue de fa ce (A ) e t vue de côté (B ). Les extrém ités
a m in o - e t ca rbo xy-term inales so nt étendues pour perm ettre le pas sage au travers de l’ hélice d’ADN.
la c o n f o r m a t i o n des NCP. La p o s it io n de l’ADN n u c l é o - s o m a l é t a i t p r év ue p a r la s t r u c t u r e du c œ u r p r o t é i q u e [ 1 0 ] , ADN e t h i s t o n e s i n t e r a g i s s e n t en 14 p o s i t i o n s , t o u t e s les d ix p a ir e s de ba ses e n v ir o n . Au n i v e a u des do u z e p o s i t i o n s les p lu s c e n t r a l e s , un e c h a î n e l a t é r a l e d ’ a r g i n i n e i n t e r a g i t a v e c un p e t i t s il l o n d ’ADN p a r des l i a i s o n s h y d r o g è n e s , h y d r o p h o b e s , é l e c t r o s t a t i q u e s e t des i n t e r a c t i o n s de Van d e r Waals.
Plus r é c e m m e n t , l ’ u t i l i s a t i o n d ’ un ADN de 147 pb a p e r mi s d ’ a u g m e n t e r la r é s o l u t i o n à 1,9 A ( [ 1 1 ] , f i c h i e r p d b 1KX5). C e t t e p a ir e de bases s u p p l é m e n t a i r e p e r m e t de m ie u x s y m é t r i s e r la p a r t i c u l e , l ’ axe b i n a i r e t r a v e r s a n t la p a ir e de base c e n t r a l e e t s é p a r a n t l ’ADN n u c l é o s o - m a l en d e u x m o i t i é s de 73 pb c h a c u n e . C e tt e s t r u c t u r e ne m o d i f i e pas la p r é c é d e n t e o r g a n i s a t i o n au sein des NCP, m a is sa m e i l l e u r e r é s o l u t i o n a p e rm is de l o c a l i s e r p lu s de 3 000 m o lé c u l e s d ’ e a u a in s i qu e c e r t a i n s ions m a n g a n è s e e t c h l o r u r e ( F ig ur e 3 B ). Les m o lé c u l e s d ’ e a u s e m b l e n t i n t e r v e n i r p o u r f o r m e r des p o n t s e n t r e ADN e t p r o t é i n e s vi a des li a i s o n s h y d ro g è n e s . D i f f é r e n t e s s t r u c t u r e s c r i s t a l l o g r a p h i q u e s de NCP c o m p o r t a n t s o i t de s h i s t o n e s d ’ o r i g i n e s d i f f é r e n t e s ( p o u l e t , le vu r e , h u m a i n ) s o i t des v a r i a n t s d ’ h i s to n e s , d o n t les s é q ue nc e s e t f o n c t i o n s s o n t pl us d i v e r g e n te s , o n t é té é t a b l i e s . P ou r les NCP d o n t on d is p o s e d ’ une s t r u c t u r e , le u r s t r u c t u r e g l o b a l e re ste s i m i l a i r e [ 1 2 - 1 5 ] , Le m o d e de f o n c t i o n n e m e n t g l o b a l des NCP e s t d o n c c e r t a i n e m e n t u n ive rs e l. Les s i te s d ’ i n t e r a c t i o n h i s t o n e s - h is t o n e s s o n t é v e n t u e l l e m e n t m o d i f i é s . Par e x e m p l e , d a n s la s t r u c t u r e des NCP de le vu r e [ 1 3 ] , un s i t e d ’ i n t e r a c t i o n e n t r e les d e ux d i m è re s H 2A -H 2B e s t a b s e n t . De t r è s f a i b l e s m o d i f i c a t i o n s s t r u c t u r a l e s p e u v e n t n é a n m o in s i m p l i q u e r des m o d i f i c a t i o n s f o n c t i o n n e l l e s r e l a t i v e m e n t i m p o r t a n t e s . La s t r u c t u r e des NCP c o n t e n a n t le v a r i a n t d ’ h is t o n e H 2A -Z est p a r e x e m p l e tr è s peu d i f f é r e n t e de la s t r u c t u r e c a n o n i q u e des NCP. La p r é s e n c e de ce v a r i a n t s e m b le p o u r t a n t j o u e r un rô le c e n t r a l d a n s la m o d u l a t i o n de l ’ ex p re s s io n des gè ne s [ 1 6 ] ,
Les extrém ités am in o -
e t carb o x y -te rm in a le s des histones
La p l u p a r t des s t r u c t u r e s c r i s t a l l o g r a p h i q u e s de p a r t i cu le s c œ u rs de n u c l é o s o m e ne p o s i t i o n n e n t pas p r é c i - s è m e n t les a c id e s a m in é s des e x t r é m i t é s a m i n o - e t c a r - * - b o x y - t e r m i n a l e s des h i s t o n e s . En e f f e t , ces e x t e n s i o n s ou « q u e u e s » ne s o n t pas s t r u c t u r é e s . Elles s o n t m o b i les e t li b re s de s’ é t e n d r e a u - d e l à du c œ u r des p a r t i c u l e s ( F ig u re 2 ) . Elles r e p r é s e n t e n t 2 8 % de la m a ss e t o t a l e des h i s t o n e s e t c o n t i e n n e n t e n v ir o n un t i e r s des c h a rg e s p o s i t iv e s de la p a r t i c u l e g r â c e à la p r é s e n c e de n o m b r e u x a c i d e s a m in é s b a s iq u e s ( l y s i n e e t a r g i n i n e ) . Dans la s t r u c t u r e é t a b l i e p a r Lu ger e t a l . en 1997 [ 9 ] (F ig ur e 3 A ) , s e u l e m e n t 30 % des a c i d e s a m in é s des « q u e u e s » s o n t p o s it io n n é s . Dans la s t r u c t u r e à 1,9 A de r é s o l u t i o n [ 1 1 ] (F ig ur e 3B), les a c i d e s a m i n é s des « q u e u e s » s o n t t o u s p o s it i o n n é s . N é a n m o i n s , p o u r les a c id e s a m in é s les p lu s t e r m i n a u x , les f a c t e u r s de t e m p é r a t u r e ( « f a c t e u r s B » ) , i n d i c a t e u r s de d é s o r d r e n’ y s o n t pas p r é c is é s e t s o n t d o n c c e r t a i n e m e n t élevé s.
D’ un p o in t de vue s t r u c t u r a l , c e r ta i n e s de ces e x tr é m ité s in te ra g is s e n t avec l ’ADN qui les e n to u r e e t m a in t i e n n e n t ainsi l’ i n t é g r it é s t r u c t u r a l e des NCP. Néan moin s, ces e x tr é m ité s i n te ra g is s e n t é g a l e m e n t avec les p a r ti c u le s v o i sines p a r t i c i p a n t ainsi à l’ o r g a n i s a ti o n s u p r a m o l é c u la ir e de la c h r o m a t in e . D’ un p o in t de vue f o n c t i o n n e l, ces e x tr é m ité s f o n t l’ o b je t de m o d i f i c a t i o n s co va le n te s aussi ap pel ée s m o d i f i c a t i o n s p o s t - t r a d u c t i o n n e l l e s . Ces m o d i fi c a t i o n s a f f e c t e n t p a r t i c u l i è r e m e n t les e x tr é m i té s a m in o - t e r m i n a l e s des hist on es H3 e t H4, e t leur a s s o c ia ti o n à des processus bio lo g iq u e s s p é cifiq u e s a c o n d u i t à pro po se r l ’ hyp ot hè se d ’ un « c od e hi st o n e » [ 1 7 ] , Ce code é t a b l i r a i t un lien d i r e c t e n tr e la m o d i f i c a t i o n de c e r ta in s résidus des queues des hist on es e t l’ é t a t tr a n s c r i p t i o n n e l de la c h r o m a t in e [ 1 8 ] , Les m o d i f i c a t i o n s p o s t - t r a d u c t i o n n e l l e s les plus ét u d ié e s s o n t !' a c é t y l a t i o n de lysines, la m é t h y l a t i o n de lysines et d ’ ar ginin es , la p h o s p h o r y la ti o n de sérines e t t h r é o n in e s e t l’ u b iq u i t i n y l a t io n de lysines.
p e n s e r q u e ce m é c a n i s m e e x i s t e in v iv o [ 2 1 ] , Nous ne d é t a i l l e r o n s pas d a n s c e t a r t i c l e la p h o s p h o r y l a t i o n de s i t e s s p é c i f i q u e s de la p o r t i o n a m i n o - t e r m i n a l e de H3 q u i a j o u t e une c h a r g e n é g a t i v e a u g r o u p e m e n t p h o s p h o r y l é , ni l ’ u b i q u i t i n y l a t i o n , q u i c o r r e s p o n d à la l i a i s o n d ' u n e p r o t é i n e de 76 a c i d e s a m in é s su r un a c i d e a m in é de H2A ou H2B. La c o m p l e x i t é des m é c a n i s m e s qu i m è n e n t à ces m o d i f i c a t i o n s e t qu i i n d u i s e n t des f o n c t i o n s p a r t i c u l i è r e s a u se in de la c h r o m a t i n e d é p a s s e le c a d r e de c e t a r t i c l e e t ne p e u t ê t r e e x p l i c i t é e , ici , en d é t a i l s . De plu s, ces d i f f é r e n t e s m o d i f i c a t i o n s ne s o n t s o u v e n t pa s a c t i v é e s i n d é p e n d a m m e n t les un es des a u t r e s e t l e u r m o d e de f o n c t i o n n e m e n t p e u t ê t r e s y n e r g i q u e . Par e x e m p l e , !’ a c é t y l a t i o n de la ly s i n e 16 de H4 en c o n c o m i t a n c e av e c la p h o s p h o r y l a t i o n de la sé r in e 10 de H3 a m p l i f i e l’ a c t i v i t é t r a n s c r i p t i o n n e l l e d u c h r o m o s o m e X m a s c u l i n [ 1 7 ] , De m ê m e , H3 e t H4 s o n t des c i b l e s p r iv i l é g i é e s p o u r la m é t h y l a t i o n l o r s q u ’ elles s o n t a c é t y l é e s [ 2 2 ] . E nf in , des m o d i f i c a t i o n s p o s t - t r a d u c t i o n n e l l e s de m ê m e n a t u r e p e u v e n t e n t r a î n e r des e f f e t s op p o s é s .
La ch ro m a tin e eu caryo te : une o rg an isation dynam ique
Si l ’ on c o n s id è r e la s t r u c t u r e p r é s e n t é e p r é c é d e m m e n t c o m m e f i g é e , l ’ e n r o u l e m e n t de !’ ADN a u t o u r d e l ' o c t a m è r e d ’ h i s t o n e d a n s les n u c l é o s o m e s a in s i q u e la c o m p a c t i o n t r è s i m p o r t a n t e de l ’ADN au sein d u n o y a u r é p r i m e n t l ’ a c t i v i t é t r a n s c r i p t i o n n e l l e de la c h r o m a t i n e , l ’ADN n’ é t a n t pas a c c e s s i b l e à la m a c h i n e r i e t r a n s c r i p t i o n n e l l e . Pour ces ra is o n s , la c h r o m a t i n e c o n d e n s é e a p p e l é e h é t é r o c h r o m a t i n e est g é n é r a l e m e n t c o n s i d é r é e c o m m e t r a n s c r i p t i o n n e l l e m e n t i n a c t i v e t a n dis qu e la c h r o m a t i n e d é c o n d e n s é e , l’ e u c h r o m a t i n e , e s t, e ll e , a c t i v e . Un m o d e d ’ o r g a n i s a t i o n d y n a m i q u e de la c h r o m a t i n e e s t as su ré p a r p lu s i e u r s f a c t e u r s [ 2 3 ] : la « r e s p i r a t i o n » s p o n t a n é e de l ’ADN, le g l i s s e m e n t de l’ADN a u t o u r des h i s t o n e s p a r des f a c t e u r s de r e m o d e l a g e , les m o d i f i c a t i o n s p o s t - t r a d u c t i o n n e l l e s de s q u e u e s de s h i s t o n e s , l ’ i n c o r p o r a t i o n de v a r i a n t s d ’ h i s t o n e s d a n s les NCP. Ces v e c t e u r s de p l a s t i c i t é ne s o n t pa s i n d é p e n d a n t s les uns des a u t r e s . Leur a c t i v a t i o n e s t liée e t p e u t é v e n t u e l l e m e n t s’ a v é r e r s y n e r g i q u e .
Ouverture spontanée de l ’ADN nucléosomal : « respiration » de l’ADN
Des ét u de s réc ente s m o n t r e n t que la s tr u c t u r e des NCP n’ est pas fi gé e et qu ’ il es t pos sible d ’ observer, n o t a m m e n t in v itro , des m o u v e m e n ts ra pides d ’ o u v e rt u re e t de f e r m e t u r e de L’ADN nu c lé o s o m a l p a r FRET (flu o re s c e n c e
- H2B - H4
re so n a n ce energy tra n s fe r ) ou FCS (flu o re s c e n c e c o rre la tio n s p e c tro s c o p y ) [ 2 0 - 2 2 ] , Les nu clé os om es r e s te n t bien
enr oulé s p e n d a n t 250 ms puis l’ADN s’ ouvre p e n d a n t des in te r v a ll e s de t e m p s v a r i a n t de 10 à 50 ms, assez longs p o u r re ndre l ’ADN acc e ssib le à des p r ot éi ne s e t à des e nzy mes [ 2 4 ] , Les NCP où l’ADN est bien en roulé s o n t en é q u i libre ave c des p a rt i c u l e s dans un é t a t t r a n s i t o i r e où l’ADN se d é ro u le p o u r q u ’ une p r o té i n e puisse é v e n t u e ll e m e n t se fi x e r à une p o r t io n sp é c if iq u e d ’ADN libre.
Rem odelage de la chrom atine
Le r e m o d e l a g e de la c h r o m a t i n e e s t a s s u r é p a r de s c o m p l e x e s p r o t é i q u e s c o n s t i t u é s de d e u x à 12 s o u s - u n i t é s [ 2 5 ] , Ces c o m p l e x e s p o s s è d e n t t o u s une so u s u n i t é ATPase q u i l e u r p e r m e t de m o d i f i e r l a s t r u c t u r e des NCP en p a r t i e g r â c e à l ’ é n e r g ie li b é r é e lor s de l’ h y d r o l y s e de l ’ATP. On les r e g r o u p e p a r f a m i l l e s . I l s j o u e n t un r ô le a u n i v e a u de la t r a n s c r i p t i o n , de l a r é p l i c a t i o n e t de la r é p a r a t i o n de l ’ADN. La p r e m i è r e f a m i l l e de f a c t e u r s de r e m o d e l a g e e s t la f a m i l l e SWI/SNF. Ces c o m p l e x e s c o m p o r t e n t 8 - 1 5 sou s u n i t é s d o n t s e p t c o n s t i t u e n t u n e s o u s - u n i t é ATPase. Ces c o m p l e x e s a u g m e n t e n t !’ a c c e s s i b i l i t é de l ’ADN au x n u c lé a s e s . Leur a c t i o n p e u t ê t r e r e d o n d a n t e a v e c c e lle de !’ a c é t y l a t i o n des h is t o n e s . Hs p e u v e n t p e r m e t t r e n t l ’ é c h a n g e de d i m è r e s d ’ h i s t o n e s H 2 A /H 2 B e n t r e NCP. Un a u t r e sou s g r o u p e e s t c e lu i d o n t les f a c t e u r s de r e m o d e la g e c o n t i e n n e n t l’ATPase ISWI. Les c o m p l e x e s ISWI ne c o m p o r t e n t q u e de d e u x à q u a t r e s o u s - u n i t é s . Le r ô le d ’ ISWI s e m b le ê t r e de f a i r e « g l i s s e r » les h i s t o n e s sur l ’ADN p l u t ô t qu e d ’ ê t r e i m p l i q u é d a n s la t r a n s c r i p t i o n . Les f a c t e u r s de r e m o d e l a g e ISWI f o n c t i o n n e n t en d i m è res. Une t r o i s i è m e f a m i l l e e s t c e ll e des c o m p l e x e s NURD d o n t l ' u n i t é ATPase e s t M i - 2 . NURD e s t i m p l i q u é à la f o i s d a n s le r e m o d e l a g e e t la d é s a c é t y l a t i o n de s h i s t o n e s . M i - 2 u t i l i s é s eu l, in v itr o , p e r t u r b e les i n t e r a c t i o n s A D N - h i s t o n e s e t i n d u i t le g l i s s e m e n t des NCP.
D i f f é r e n t e s h y p o th è s e s p o u r les m é c a n i s m e s de r e m o d e lage des NCP o n t é té pr opo sé es. Pour l’ i n s t a n t , ces m é c a ni sm es ne s o n t pas c o m p l è t e m e n t él u c id é s . C e s f a c t e u r s
Figure 3. Structure crista llo gra p h iq u e de la p a rtic u le cœur de nucléo- some. A. S tructure crista llo gra p h iq u e co n te n a n t 146 paires de bases
de r e m o d e l a g e v i e n d r a i e n t d é s o l i d a r is e r un e e x t r é m i t é d'ADN liée au x h is to n e s , p r o v o q u a n t l’ o b t e n t i o n de d i f fé r e n t s t y p e s d ’ é t a t s i n t e r m é d i a i r e s des NCP qu i p o u r r a i e n t ê tr e i n s ta b l e s . Un p r e m ie r m o d è l e p r o p o s e q u e les f a c t e u r s de r e m o d e l a g e se l i e r a i e n t à l’ADN n u c lé o s o m a l p o u r i n d u ir e la f o r m a t i o n d ’ un e b o u c l e d ’ADN de p lu s i e u rs diz a in e s de pa ir e s ou d ’ un e d iz a i n e de pa ir e s de base qui se d é t a c h e r a i e n t d u c œ u r p r o t é i q u e . C e tt e b o u c le se p r o p a g e r a i t e n s u it e p o u r t r a n s l a t e r l’ADN p a r r a p p o r t aux h is to n e s [ 2 6 ] , Un s e c o n d m o d è le pr o p o s e qu e sous l’ a c t i o n de f a c t e u r s de re m o d e la g e SNI/SNF, les d im è re s H2 A /H 2B ou l ’ e n s e m b le des h is t o n e s s e r a i e n t exp ulsé s du c o m p le x e A D N - p r o t é i n e , p o u r f a c i l i t e r le r e m o d e la g e des NCP [ 2 7 ] , Les f a c t e u r s de re m o d e l a g e s e m b l e n t é g a l e m e n t s’ a c c o m p a g n e r de m o d i f i c a t i o n s d a ns la t o p o l o g i e de l’ADN [ 2 8 ] , L’ a c t i o n de s f a c t e u r s de r e m o d e l a g e e s t s p é c i f i q u e . Hs r e c o n n a i s s e n t d e s p r o m o t e u r s , de s s é q u e n c e s de p r o t é i n e s s p é c i f i q u e s , de l ’ADN m é t h y l é . Il p o u r r a i t y a v o ir une sy n e rg ie e n t r e les f a c t e u r s de r e m o d e l a g e e t !’ a c é t y l a t i o n de s h i s t o n e s . Plus p a r t i c u l i è r e m e n t , la q u e u e d ’ h i s t o n e H4 e s t n é c e s s a i r e p o u r i n d u i r e l ’ a c t i v i t é A T P a s e d e N U R F e t de ISWI [ 2 9 , 3 0 ] ,
Conclusion
Chez les o r g a n i s m e s e u c a r y o t e s , la c o m p a c t i o n de l'ADN e s t r e m a r q u a b l e m e n t c o n s e r v é e e t e l l e e s t a s s u r é e p a r son e n r o u l e m e n t a u t o u r d ’ h i s t o n e s p o u r f o r m e r la p a r t i c u l e c œ u r de n u c l é o s o m e . Non s e u l e m e n t ce m o d e d ' o r g a n i s a t i o n e s t c a p a b l e de c o n f i n e r l ' i n f o r m a t i o n g é n é t i q u e en des d o m a i n e s de t r è s p e t i t e t a i l l e , m a is c e t t e o r g a n i s a t i o n n’ e s t pa s f i g é e e t re ste d y n a m i q u e . A ins i, l’ADN e s t a c c e s s i b l e e t f o n c t i o n n e l .
Bien que la p a rt ic u l e cœ ur de nu clé os om e a i t é té dé cri te pr é ci sé m e n t e t sans a m b ig ü i té , les niveaux d ’ o r g a n is a ti o n supérieurs de l'ADN n’ o n t pas é té ex plicité s e t r e s te n t très con troversés. L’ o r g a n is a ti o n s u p ra m o lé c u la ir e de l’ADN des nu clé oso m es j u s q u ’ au x chr om os o m es reste à d é te rm in er . O
SUMMARY
Structure and dynam ic
o f th e nucleosome core p article
In e u k a r y o t i c ce ll , a f e w m e t e r s o f DNA a r e c o m p a c t e d in n u c le a r c o m p a r t m e n t o f a f e w m i c r o n s . This h ig h lev el o f c o m p a c t i o n is an i m p o r t a n t w a y t o r e g u l a t e g e n e e x p r e s s io n . In t h e p r e s e n t p a p e r , we p r e s e n t a d e s c r i p t i o n o f t h e o r g a n i z a t i o n o f DNA i n t o i t s f i r s t l ev el o f c o m p a c t i o n : t h e n u c le o s o m e co r e p a r t i c l e . The s t r u c t u r e o f t h e n u c l e o s o m e has be en d e s c r i b e d a t an a t o m i c r e s o l u t i o n m o r e t h a n 10 y e a rs a g o , w h e r e DNA is w r a p p e d a r o u n d an o c t a m e r o f h i s t o n e s . P o s t - t r a n s l a t i o n a l m o d i f i c a t i o n s a f f e c t i n g h i s t o n e t a i l s h a ve be en s h o w n t o r e g u l a t e t h e c h r o m a t i n d e g r e e o f c o m p a c t i o n a n d t h u s t h e g e n e e x p r e s s io n a n d r e g u l a t i o n . The s t r u c t u r e o f t h e NCP is f a r f r o m b e in g f r o z e n a n d is h i g h l y d y n a m i c . R e m o d e l i n g f a c t o r s c a n i n d u c e DNA s l i d i n g a r o u n d t h e h i s t o n e s , DNA t r a n s a c t i o n pr oc e s s e s su ch as t r a n s c r i p t i o n a n d r e p l i c a t i o n . 0 RÉFÉRENCES
1. L o m b e rk G, W a llr a th L, U r r u tia R. The h e te r o c h r o m a tin p r o t e in I f a m ily . G e n o m e B io l 2 0 0 6 ; 7 : 228.
2 . P e te rs o n C. T he SMC f a m ily : n o v e l m o t o r p r o te in s f o r c h ro m o s o m e c o n d e n s a tio n ? C e ll 1994 ; 7 9 : 3 8 9 - 9 2 .
3. D e L a n g e RJ1 F a m b ro u g h DM, S m ith CL, B o n n e r J. C a lf a n d P ea H is to n e IV. II. T he c o m p le te a m in o a c id s e q u e n c e o f c a l f th y m u s h is to n e IV. P re s e n c e o f e g r - N - a c e t y lly s in e . y B io l Chem 1 9 6 9 ; 2 4 4 : 3 1 9 - 3 4 .
4 . P a e d o n JF1 W ilk in s MHF. A s u p e r - c o il m o d e l f o r n u c le o h is t o n e . y M o l B io l 1972 ; 68 : 1 1 5 -2 4 . 5. H e w is h DR1 B u rg o y n e LA. C h r o m a tin s u b - s t r u c t u r e . T h e d ig e s tio n o f c h r o m a t in DNA a t
r e g u la r ly s p a c e d s ite s b y a n u c le a r d e o x y r ib o n u c le a s e . B io c h B io p h Res C om 1973 ; 5 2 : 5 0 4 - 1 0 . 6 . K o rn b e rg R, T h o m a J. C h r o m a tin s t r u c t u r e : o lig o m e r s o f t h e h is to n e s . S c ie n c e 1974 ; 1 8 4 : 8 6 5 -8 . 7 . O lin s A, O lin s D. S p h e ro id c h r o m a t in u n it s (v b o d ie s ) . S c ie n c e 1974 ; 183 : 3 3 0 -2 . 8 . R ic h m o n d TJ1 F in c h JT1 R u s h to n B, e t a l. S tr u c tu r e o f t h e n u c le o s o m e c o re p a r t ic le a t 7 A r e s o lu tio n . N a tu r e 19 8 4 ; 3 1 1 : 5 3 2 -7 . 9 . L u g e r K, M a d e r AW, R ic h m o n d RK, e t a l. C ry s ta l s t r u c t u r e o f t h e n u c le o s o m e c o re p a r t ic le a t 2.8 Á r e s o lu t io n . N a tu r e 1997 ; 389 : 2 5 1 - 6 0 .
1 0 . A re n ts G, B u r lin g a m e RW, W ang B, e t a l. The n u c lé o s o m a l c o re h is to n e o c t a m e r a t 3.1 A r e s o lu tio n : a t r i p a r t i t e p r o t e in a s s e m b ly a n d a le f t - h a n d e d s u p e r h e lix . P ro c N a t l A c a d S c i USA 1 9 9 1 ; 8 8 : 1 0 1 4 8 -5 2 . 1 1 . D a ve y CA, S a rg e n t DF1 L u g e r K, M a e d e r AW, R ic h m o n d TJ. S o lv e n t m e d ia te d in t e r a c t io n s in th e s t r u c t u r e o f t h e n u c le o s o m e c o re p a r t ic le a t 1,9 A r e s o lu t io n . y M o l B io l 20 0 2 ; 319 : 1 0 9 7 -1 1 3 . 1 2 . H a rp JM, H a n s o n BL, T im m DE1 B u n ic k GJ. A s y m m e trie s in t h e n u c le o s o m e c o re p a r t ic le a t 2 .5 A r e s o lu tio n . A c t a C ry s t S e c tio n D 20 0 0 ; 56 : 1 5 1 3 -3 4 . 1 3 . W h ite C, S u to R, L u g e r K. S tr u c tu r e o f t h e y e a s t n u c le o s o m e c o re p a r t ic le re v e a ls f u n d a m e n t a l c h a n g e s in in te r n u c le o s o m e in t e r a c t io n s . EMBO J 20 0 1 ; 20 : 5 2 0 7 - 1 8 . 1 4 . S u to RK, C la rk s o n MJ1 T r e m e th ic k DJ1 L u g e r K. C ry s ta l s t r u c t u r e o f a n u c le o s o m e c o re p a r t ic le c o n t a in in g t h e v a r ia n t h is to n e H 2A .Z . N a t S t r u c t M o l B io l 2 0 0 0 ; 7 : 1 1 2 1 -4 .
1 5 . T s u n a k a
y,
K a jim u r a N, T a te S, M o rik a w a K. A lt e r a t io n o f t h e n u c lé o s o m a l DNA p a t h in th e c r y s ta l s t r u c t u r e o f a h u m a n n u c le o s o m e c o re p a r t ic le . N u c le ic A c id s Res 2 0 0 5 ; 33 : 3 4 2 4 -3 4 . 16 . G u ille m e tte B, G a u d re a u L. H 2A .Z : u n v a r ia n t d ’ h is to n e q u i o r n e les p r o m o te u r s d e s g è n e s .M e d S ci ( P a r is ) 20 0 6 ; 22 : 9 4 1 - 6 . 17 . S tr a h l BD, A llis CD. The la n g u a g e o f c o v a le n t h is to n e m o d if ic a t io n s . N a tu r e 20 0 0 ; 4 0 3 : 4 1 - 5 . 1 8 . L a c o s te N, C ô té J. Le c o d e é p ig é n é tiq u e d e s h is to n e s . M e d S ci ( P a r is ) 20 0 3 ; 19 : 9 5 5 -9 . 1 9 . M io t t o B, S tr u h l K. De la r é g u la t io n d u g é n o m e à la p r o g r e s s io n tu m o r a le : a c é t y la t io n d e la ly s in e 16 d e l ’ h is to n e H 4. M e d S c i ( P a r is ) 20 0 7 ; 23 : 7 3 5 - 4 0 . 2 0 . C h e u n g P, L a u P. E p ig e n e tic r e g u la t io n by h is to n e m é t h y la t io n a n d h is to n e v a r ia n t s . M o l E n d o c r in o l 2 0 0 5 ; 19 : 5 6 3 - 7 3 . 2 1 . Lan F, N o ttk e AC, S hi / . M e c h a n is m s in v o lv e d in t h e r e g u la t io n o f h is to n e ly s in e d e m e th y la s e s . C u r r O p C e lI ß /o / 2 0 0 8 ; 20 : 3 1 6 - 2 5 .
2 2 . A n n u n z ia to AT, E ason MB, P e rry CA. R e la tio n s h ip b e tw e e n m é t h y la t io n a n d a c é t y la t io n o f a r g in in e - r ic h h is to n e s in c y c lin g a n d a r r e s te d H eLa c e lls . B io c h e m is tr y 1995 ; 34 : 2 9 1 6 - 2 4 . 2 3 . L u g e r K. D y n a m ic n u c le o s o m e s . C h ro m Res 20 0 6 ; 14 : 5 - 1 6 .
2 4 . Li G, L e v itu s M, B u s ta m a n te C, W id o m J. R a p id s p o n ta n e o u s a c c e s s ib ilit y o f n u c lé o s o m a l DNA. N a t S t r u c t M o l B io l 2 0 0 4 ; 12 : 4 6 - 5 3 .
2 5 . B e c k e r PB, H orz W. A T P -d e p e n d e n t n u c le o s o m e r e m o d e lin g . A n n R ev B io c h e m 20 0 2 ; 7 1 : 2 4 7 - 7 3 .
2 6 . L a n g s t G, B e c k e r PB. ISWI in d u c e s n u c le o s o m e s lid in g o n n ic k e d DNA. M o l C e ll 20 0 1 ; 8 : 1 0 8 5 -9 2 .
2 7 . P e te rs o n C, T a m k u n J. T he SW I/SNF c o m p le x : a c h r o m a t in r e m o d e lin g m a c h in e ? T rends B io l S c i 19 9 5 ; 2 0 : 1 4 3 -6 .
2 8 . G a vin I, H o rn P, P e te rs o n C. SW I/SNF c h r o m a t in re m o d e lin g r e q u ir e s c h a n g e s in DNA t o p o lo g y . M o / C e ll 20 0 1 ; 7 : 9 7 - 1 0 4 .
2 9 . C la p ie r C, L ä n g s t G, C o ro n a D, e t a l. C r it ic a l ro le f o r t h e h is to n e H4 N te r m in u s in n u c le o s o m e r e m o d e lin g by ISWI. M o l C e ll B io l 20 0 1 ; 21 : 8 7 5 - 8 3 .
3 0 . H a m ic h e A, K a n g JG1 D e n n is C, e t a l. H is to n e t a i l s m o d u la t e n u c le o s o m e m o b ilit y a n d r e g u la te A T P -d e p e n d e n t n u c le o s o m e s lid in g by NURF. P ro c N a t l A c a d S ci USA 2001 ; 98 : 1 4 3 1 6 -2 1 .
