Le noyau (Chapitres 10-11-12)

1) Structure du noyau

2) Structure des gènes et des chromosomes

3) Réplication de l’ADN

4) Structure de la chromatine, localisation, activation et répression

5) Maturation de l’ARNm

6) Nucléole

7) transport noyau/cytoplasme, cytoplasme/noyau

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Introduction

? Compaction de l’ADN

? Organisation des chromosomes dans un noyau en interphase?

? Maintient du niveau de différenciation et division cellulaire

? Vérification de la qualité de l’ADN

? Vérification de la qualité de l’ARNm

Structure du noyau

• Le nucléoplasme contient: ADN, ARN, protéines

• Hétérochromatine: forme condensée de l’ADN, contient l’ADN qui est considérée comme en grande partie inactif (télomères, ADN ne contenant pas de gènes, gènes non transcrits).

• Euchromatine: Forme déballée de l’ADN qui est considérée comme contenant la portion active de l’ADN (gènes transcrits).

• Nucléole: contient les gènes de l'ARNr, site de synthèse des ribosomes (formés d'ARNr).

Figure 5-25

Euchromatine

Nucleoplasme

Nucleole

Définition du gène

• Les gènes sont contenus dans l’ADN

• Un gène est la séquence entière d’acides nucléiques qui est nécessaire pour la synthèse d’un produit fonctionnel (polypeptide ou ARN).

• Les régions de l'ADN qui codent pour des polypeptides sont appelées régions codantes.

• Les régions de l’ADN qui codent pour des molécules d’ARN comme l’ARN de transfert, l’ARN ribosomique et les SNRNPs sont aussi appelées gènes.

• Les régions qui contrôlent l'expression des gènes sont incluses dans les gènes

• Chez les eucaryotes, les gènes se retrouvent à travers de longs segments d’ADN non-fonctionnels et non codants.

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Unités de transcription

Fig 10-2

Fig 4-14

enhancer Polyadénylation

Sites d’épisssage

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Unités de transcription

Unités de transcription complexes

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Unités de transcription

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Organisation des gènes et régions non codantes

Le génome de plusieurs organismes contient beaucoup d'ADN non codant. La densité de gènes varie beaucoup dans différentes régions des

chromosomes humains.

ADN génomique: comparaison de la densité de gènes dans 80 kb:Humain vs levure.

80kb

Chromosomes humains

Chromosome 22 Génome humain Longueur de l’ADN 48X106 paires de bases 3.2X109 paires de base Nombre de gènes 700 30,000 Longueur moyenne des gènes

19,000 paires de bases 27,000 paires de bases

Nombre moyen d’exons par gène

5.4 8.8

Longueur moyenne des exons

266 paires de bases 145 paires de bases

% de séguences d’ADN en exons (séquences codantes pour des protéines)

3% 1.5%

% ADN répétitif 42% 50% % du génome total 1.5% 100%

Variation de la densité de gènes sur les différents chromosomes

Gènes dupliqués (familles de gènes fonctionnels)

Gènes solitaires: 25 à 50% des gènes codants pour des protéines sont présents1X dans le génome

Organisation des gènes codants pour des protéines sur les chromosomes

Gènes similaires mais non identiques

Organisation des gènes sur les chromosomes

Gènes en tandem

• Gènes répétés (ARNr, ARNt, histones): doivent pouvoir être exprimés en grande quantité pour satisfaire aux besoins de la cellule.

• Une cellule peut devoir se dupliquer rapidement

• Une cellule peut devoir synthétiser de grandes quantités de protéines

Fig. 12-32

La quantité d’ADN cellulaire ne correspond pas à la complexité de l’organisme

Le nombre de chromosomes ne correspond pas à la complexité des espèces

Les deux espèces ont environla même quantité d’ADN mais les chromosomes sont très différents.

La quantité d’ADN cellulaire ne correspond à la complexité de l’organisme

• Chimpanzé vs humain:

• 90 à 95 % de similarité dans le génome.

• La grande différence entre ces espèces se retrouverait principalement au niveau de l’expression des gènes donc de la régulation de l’expression génétique, l’épigénétique.

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Organisation de l’ADN dans le noyau

Organisation de l’ADN en chromosomes

• L’ADN doit être très compactée pour entrer dans le noyau.• ADN 2m de long alors que le noyau a 5 à 10 µm de diamètre. • Ex: Le chromosome 22 représente 1.5% du génome

L’ADN de ce chromosome étiré mesure 1.5 cm

Sous forme de chromosome mitotique il mesure 2 µm , compaction d’environ 10,000X.

Sous forme de chromosome en interphase il est compacté environ 1,000X

L’organisation de l’ADN doit être bien contrôlée pour permettre son utilisation par la cellule

Organisation de l’ADN en chromosomes

• L’ADN d’eucaryotes est associé à des protéines les histones pour former la chromatine

Association de l’ADN avec les histones- Chromatine

• Les histones sont les principales protéines associées à l’ADN d’eucaryotes

• Les histones sont des protéines basiques

• Les principales histones sont H1, H2A, H2B, H3 et H4

• Les histones sont des protéines riches en AA basiques qui s’associent aux charges négatives des groupes phosphates de l’ADN.

• Les histones sont des protéines très conservées dans l’évolution

Structure de la chromatine

• La chromatine se trouve sous une forme dilatée ou condensée

• Dans le noyau intact il est presque impossible d’observer la structure de la chromatine. L’isolation de la chromatine nous a permis d’en établir la structure.

Structure de la chromatine

• Niveaux d’organisation de la chromatine• L’aspect de la chromatine dépend de la concentration saline et de

cations divalents utilisée pour l’extraire

• Isolation à faible concentration saline et faible en cations divalents

• Filaments portant des perles, les nucléosomes: diamètre 10nm

• Isolation à concentration saline physiologique

• Fibres plus compactes: diamètre 30nm• Structure solénoïdale

La chromatine se retrouve sous une forme dilatée ou condensée

a) Isolation à faible concentration saline b) Isolation à concentration saline physiologique

Nucléosomes Solénoide

Structure des nucléosomes

• Nucléosome

• Coeur protéique: histones

• Paires de H2A, H2B, H3 et H4

• L’ADN, 147 paires de bases, est enroulée autour de la structure formée par les histones (octamère d’histones) (H2A, H2B, H3, H4).

Les nucléosomes sont des complexes d’histones et d’ADN (147 paires de nucléotides)

H2A Jaune; H2B Rouge; H3 Bleu; H4 vert

Modèle solénoïdal de condensation de la chromatine

Forme condensée de la chromatine

• H1 est attachée à l’ADN à la sortie de chaque nucléosome

• Les nucléosomes sont compactés en spirales ou arrangement solénoïde (structure de 30nm).

• On retrouve 6 nucléosomes par tour.

• Note: la structure de 30nm est moins uniforme que le prédit le modèle,

Forme condensée et décondensée de la chromatine

• Forme condensée:• La chromatine non transcrite serait principalement sous

forme condensée (30nm)• La chromatine transcrite serait sous forme étirée chapelet

de billes.

Modification des histones et condensation de la chromatine

• Chacune des histones contient en N-terminal de 20 à 40 a.a qui ressortent du domaine globulaire

• Ces portions sont riches en lysines qui sont chargées positivement

• Ces charges positives permettent l’interaction des histones avec les groupements phosphates de l’ADN

• Ces lysines peuvent être acétylées ce qui neutralise la charge positive des lysines et diminue la liaison des histones avec l’ADN.

• Plus les histones sont acétylées moins la chromatine sera sous la forme solénoide.

• Méthylation

• Ubiquitination

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Acétylation des histones

Chaîne latéralede la lysine

NH3+

+ CH3COO-

NH COCH3

+ H2O

L’acétylation des histones réduit la condensation de la chromatine

L’acétylation des histones réduit la condensation de la chromatine

• Plus les histones sont acétylées moins la chromatine est condensée en fibre de 30nm.

• Plus les histones sont acétylées plus la chromatine est sensible à la digestion à la DNase.

• Il existe une relation entre la transcription de l’ADN, l’acétylation des histones, et la sensibilité de l’ADN à la digestion avec la DNase.

• L’ADN transcrite est plus susceptible à la digestion à la DNase que l’ADN non transcrite.

Les gènes actifs sont plus susceptibles à la digestion à la DNase

• Étude d’un gène qui est activé au cours de la différenciation de l’érythrocyte (gène activé=gène transcrit), la globine.• L’ADN est digéré avec la DNase 1• L’enzyme de restriction BamH1 (enzyme qui coupe l’ADN sur des séquences très précises) permet de couper l’ADN

de chaque cotés du gène de globine.• Si l’hypothèse est vraie il existe une relation entre transcription de l’ADN et susceptibilité à la digestion à la DNase:

• En a) le gène transcrit serait digéré par la DNase 1• En b) le gène non transcrit ne serait pas digéré par la DNase 1

(b)

Les gènes transcrits sont plus susceptibles à la digestion à la DNase

• On note que dans l’érytroblaste le gène de la globine devient plus sensible à la digestion à la DNase lorsqu’il est activé.

• Dans la cellule de type non érythroïde (MSB) qui ne produit pas de globine le gène de la globine demeure non affecté par une digestion à la DNase.