Organisation nucléaire et régulation des activités transcriptionnelles

Catherine Martin

Université de Manchester

Atelier Paludisme – 7ème éditionInstitut Pasteur de Madagascar 7 avril 2009

Organisation fonctionnelle du vivant: compartimentation et activités cellulaires

-les compartiments du cytoplasmecytoplasme sont le siège des synthsynthèèses de protses de protééines ines (enzymes, hormones, signaux de transduction…) qui vont par la suite conférer à la cellule sa spécialisation

-le noyaunoyau comprenant l’ADNADN, support de l’information génétique, qui va commander le démarrage des synthèses protéiques

D’après: http://biologienet.free.fr/celltissuoirg.gif

Source:

http://www.fundp.ac.be/sciences/enligne/transition/bi

ologie/images/celluleanimalejack.gif

Chaque cellule est constituée d’un ensemble de compartiments (organitesorganites) associés à des fonctions précises:

Organisation fonctionnelle du noyau: de l’ADN à la chromatine

Source: http://www.humans.be/images/chromatine2.jpg

Dans le noyau, l’ADN se présente suivant différents niveaux de compactionniveaux de compaction:

- longue molécule en double hélice fibrefibre d’ADN

- qui va s’enrouler autour de nucléosomes (« collier de perles »)

chromatinechromatine

- sur lesquels d’autres protéines (facteurs chromatiniens) vont permettre un niveau de compaction supérieur

domaines chromatiniensdomaines chromatiniens

Organisation fonctionnelle du noyau:des compartiments pour assurer les activités nucléaires

Les compartiments chromatiniens ont une organisation spatiale organisation spatiale précise :

-- EuchromatineEuchromatineriche en gènes, active

-- HHééttéérochromatinerochromatinepauvre en gènes, silencieuse

Enrichies en facteurs chromatiniensparticuliers, qui leur confèrent un degrés de compaction +/- important

DynamiquesDynamiques

D’autres compartiments, riches en protéines, sont dédiés aux différents processus de maturation des ARNs: speckles...

NuclNuclééolesoles: sites de transcription des gènes ribosomiques et d’assemblage des ribosomes.

Source: http://www.euchromatin.com/Lanctot01F1.jpe

Organisation fonctionnelle du noyau: quels outils pour son exploration?

La microscopie optique et microscopie optique et éélectronique lectronique avait déjà permis de visualiser les deux types de chromatine et le nucléole.

Notamment la microscopie dite « confocaleconfocale » permet de travailler à une résolution de l’ordre de 100nm sur des échantillons vivants.

Les avancées des dernières décennies en microscopie microscopie ààfluorescencefluorescence ont permis des analyses de structure approfondie.

Engouement pour l’étude de l’organisation du génome.

Source: http://imaginglinux2.omrf.ouhsc.edu/

Organisation fonctionnelle du noyau: quels outils pour son exploration?

D’après Dundr et Misteli, 2001

���� Cellules FIXEES

���� Cellules VIVANTES

ImmunoImmuno-fluorescence:

Expression de protprotééine de fusion autoine de fusion auto--fluorescentefluorescente:

Source: www.ens-lyon.fr

Organisation fonctionnelle du noyau: les chromocentres, des compartiments répresseurs

Paques and Grange, 2002

REPRESSION ACTIVATION

Positionnement de gènes « inactifs »à proximité des chromocentres����compartiments rréépresseurspresseurs

Présence de grands blocs d’hétérochromatine (correspondant aux centromères) appelés chromocentreschromocentres

D’après Maison et Almouzni, 2004

Organisation fonctionnelle du génome en relation avec la mise en route des activités nucléaires dans l’embryon

Comment s’organisent les chromocentres dans un système où les activités transcriptionnelles, d’abord silencieuses, se mettent progressivement en place?

Organisation fonctionnelle du génome en relation avec la mise en route des activités nucléaires dans l’embryon

Immunofluorescence pour détecter HP1 (Heterochromatin Protein 1) et des protéines spécifiques des centromères sur des embryons fixés aux différents stades de la période préimplantatoire.

Organisation fonctionnelle du génome en relation avec la mise en route des activités nucléaires dans l’embryon.

Corrélation entre la formation de chromocentres formation de chromocentres et le ddéémarrage de la transcriptionmarrage de la transcription

Organisation fonctionnelle du génome en relation avec la mise en route des activités nucléaires dans l’embryon: imagerie in vivo

1-cellule 2-cellules

S

blastocyste

F

Remise en culture2

Microinjection

d’un plasmide HP1-GFP1

Suivi des embryons vivants

au microscope confocal3

ordinateur

huile

milieu deculture

0 30min 1h 1h30 2h 2h30

Organisation fonctionnelle du génome en relation avec la mise en route des activités nucléaires dans l’embryon: imagerie in vivo

Suivi des embryons vivants

au microscope confocal3

Remise en culture2

1-cellule 2-cellules

S

blastocyste

F

Microinjection

d’un plasmide HP1-GFP1

imagerie 3D

ordinateur

huile

milieu deculture

Organisation fonctionnelle du génome en relation avec la mise en route des activités nucléaires dans l’embryon

L’organisation en chromocentres reflète ll’é’état transcriptionnel tat transcriptionnel de la cellule.

Martin et al., 2006

From Roberts and Der, Oncogene, 2007

Raf-ERK-MEK MAPK cascade

Regulation of fundamental routes:

proliferation

apoptosis

differentiation

metabolism

cell migration...

Organisation fonctionnelle du génome en relation avec l’activation des voies de signalisation MAP kinase

Cascade de signalisation Cascade de signalisation permettant le control de nombreux mécanismes cellulaires ubiquitaires

����Comment se comportent les chromocentres quand cette voie est suractivée?

noyau

cytoplasme

Milieu

extracellulaire

Organisation fonctionnelle du génome en relation avec l’activation des voies de signalisation MAP kinase

1- Diminution de la taille du noyau - Élargissement des blocs d’hétérochromatine

2- HP1, normalement exclusivement aux chromocentres (c-à-d aux centromères) s’étend sur le reste du génome, surtout aux ttéélomlomèèresres

inte

rph

a se

mit

ose

Organisation fonctionnelle du génome en relation avec l’activation des voies de signalisation MAP kinase

Les marques d’hétérochromatine reflètent un éétat de difftat de difféérenciationrenciation.L’activation de la voie de signalisation Raf prévient la cancérisation?

Organisation fonctionnelle et dynamique du génome: mise en évidence d’un nucléosquelette

Un nucléosquelette formé de lamines nucllamines nuclééaires aires serait-il impliquédans la dynamique des compartiments?

���� Étude du rôle des lamines de type B1 type B1 sur la dynamique des nuclnuclééolesoles

Source: http://www.euchromatin.com/Lanctot01F1.jpe

Organisation fonctionnelle et dynamique du génome: mise en évidence d’un nucléosquelette

En bloquant l’expression des lamines de type B1:

���� Nucléoles déstructurés

Ces effets peuvent être mimés en inhibant la transcriptioninhibant la transcription.

Organisation fonctionnelle et dynamique du génome: mise en évidence d’un nucléosquelette

Double marquage LB1 – nucléole combiné à LB1-GFPsur des nucléoles isolés biochimiquement (sur gradient densité de sucrose)

���� Présence d’une fraction de LB1 associée aux nucléoles

Organisation fonctionnelle et dynamique du génome: mise en évidence d’un nucléosquelette

Martin et al., 2009

RRééseau de filaments seau de filaments contenant LB1 permettant la dynamiquedynamiqueet la plasticitplasticitéé des compartiments nucléaires

Organisation fonctionnelle du noyau: quelles perspectives?

Définition de patrons dpatrons d’’organisation en chromatine organisation en chromatine qui sont en relation avec ll’é’état transcriptionnel tat transcriptionnel de la cellule

(par extension en relation avec l’état de diffdifféérenciationrenciation de la cellule)

L’environnement chromatinien apparaît crucial pour l’expression ou l’inactivation d’un gène

Les patrons de chromatine sont donc des paramètres qu’il faut maîtriser:

����pour développer des outils moléculaires entrant dans le cadre des ththéérapies grapies gééniquesniques

����pour mettre au point des programmes de développement de cellules cellules souchessouches

Compréhension des mécanismes moléculaires associés aux processus de canccancéérisationrisation