Le nucl osome
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Le nucléosome. ADN et chromosomes. Plan. I - Structure et fonction de l'ADN II - ADN chromosomique et emballage dans la fibre chromatinienne organisation des gènes le long de la molécule d'ADN III - Structure globale des chromosomes emballage de la molécule d'ADN dans les chromosomes.

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Presentation Transcript
Le nucl osome
Le nucléosome

ADN et chromosomes


Plan

I - Structure et fonction de l'ADN

II - ADN chromosomique et emballage dans la fibre chromatinienne

  • organisation des gènes le long de la molécule d'ADN

    III - Structure globale des chromosomes

  • emballage de la molécule d'ADN dans les chromosomes


Ii adn chromosomique et emballage dans la fibre chromatinienne
II - ADN chromosomique et emballage dans la fibre chromatinienne

1 - Le chromosome

2 - Organisation des gènes sur le chromosome

3 - Cycle du chromosome

4 - Séquences nécessaires et suffisantes pour se dupliquer et passer d'une génération à l'autre

5 - Emballage de l'ADN

6 - Régulation de l’activité de la chromatine


1 le chromosome
1 - Le chromosome chromatinienne

L'ADN est divisé en chromosomes

Génome = 3,2 milliards de paires de nucléotides

24 chromosomes différents

1 chromosome = 1 molécule d'ADN + protéines

ADN + protéines = chromatine


Chromatine walter flemming 1882
Chromatine (Walter Flemming 1882) chromatinienne

ADN + protéines

Décrit par Flemming (1882)

Colorable


Walter flemming 1843 1905
Walter Flemming chromatinienne(1843-1905)

  • Cytologiste allemand connu pour avoir décrit le premier la division cellulaire appelée mitose.

  • Également le premier à décrire les chromosomes.

  • Études de médecine et de zoologie jusqu’en 1868 dans plusieurs universités allemandes.

  • Thèse sur les muscles ciliaires

  • Assistant, puis professeur

  • S'installe définitivement à Kiel comme professeur d'anatomie et directeur de l'institut d'anatomie, jusqu'à sa retraite en 1901.


Walter flemming 1843 19051
Walter Flemming chromatinienne(1843-1905)

  • Vers le milieu du XIXe siècle, la connaissance de la division cellulaire était limitée par la faible qualité des lentilles des microscopes et des méthodes de coloration.

  • Certains scientifiques pensaient qu'il s'agissait d'une division directe, mais d'autres postulaient l'existence de phases intermédiaires pendant lesquelles le noyau « père » se dissociait avant de reconstituer deux noyaux fils.

  • Walter Flemming est le premier à décrire, dans son ouvrage Zellsubstanz, Kern, Zelltheilung, publié en 1882, les différentes phases de la division cellulaire.


Walter flemming les diff rentes phases de la division cellulaire
Walter Flemming : chromatinienneLes différentes phases de la division cellulaire

  • A cette occasion, il forge les mots mitose, chromatine, plan équatorial et achromatine.

  • Il est également un des premiers cytologistes à décrire les chromosomes pendant la division cellulaire, sans pour autant expliquer leur rôle

  • Il remarque la constance de leur nombre pour une espèce donnée.


Walter flemming autres travaux
Walter Flemming : chromatinienneautres travaux

  • Amélioration de certains fixateurs et colorants cellulaires

  • Description de l'amitose, division cellulaire directe par étranglement du corps cellulaire et du noyau, phénomène qu'il considère toutefois, de façon erronée, comme pathologique.


Prot ines de la chromatine
Protéines de la chromatine chromatinienne

Emballage de l'ADN

Régulation de l'expression des gènes

Réplication et réparation de l'ADN


Chromosome bact rien
Chromosome bactérien chromatinienne

Une seule molécule d'ADN circulaire

Protéines d'emballage différentes

Mal connu


Les chromosomes eucaryotes
Les chromosomes eucaryotes chromatinienne

Chaque cellule a deux copies de chaque chromosome

une héritée du père et

une héritée de la mère

Chromosomes homologues

Exception : chromosomes sexuels chez le mâle

Y hérité du père

X hérité de la mère


Jeux chromosomiques
Jeux chromosomiques chromatinienne

  • Homme : 22 paires d'autosomes + X + Y

  • Femme : 22 paires d'autosomes + X + X

  • Homme : 46,XY

  • Femmes : 46,XX


Mise en vidence des chromosomes
Mise en évidence des chromosomes chromatinienne

  • Hybridation

  • Colorants


Fig 4 10
Fig 4-10 chromatinienne

Hybridation de chromosomes humains masculins

Caryotype spectral (peinture chromosomique)


Fig 4 11
Fig 4-11 chromatinienne

Chromosomes humains masculins

Coloration au Giemsa

chaque chromosome a un marquage longitudinal spécifique qui permet de le reconnaître


Caryotype
Caryotype chromatinienne

  • Affichage des 46 chromosomes à la mitose

  • Mise en évidence des anomalies



Fig 4 12
Fig 4-12 chromatinienne

Anomalie chromosomique

(A) Coloration au Giemsa

(B) Peinture chromosomique

4

12

4

12

N

t

N

t


2 organisation des g nes sur le chromosome
2 - Organisation des gènes sur le chromosome chromatinienne

Un gène 

protéine

ARN


Complexit d un organisme nombre de g nes
Complexité d'un organisme chromatinienne nombre de gènes

  • Corrélation positive

  • Bactérie : 500

  • Humain : 30 000

  • Beaucoup d'ADN

    • sans information

    • dépotoir (!)

    • expression des gènes


Table i 1
Table I-1 chromatinienne

  • Génomes ayant été totalement séquencés

    • (A) Eubactéries


Table i 11
Table I-1 chromatinienne

  • Génomes ayant été totalement séquencés

    • (B) Archae


Table i 12
Table I-1 chromatinienne

  • Génomes ayant été totalement séquencés

    • (C) Eucaryotes


Fig 4 13
Fig 4-13 chromatinienne

Génome de Saccharomyces cerevisae

16 chromosomes

Couleurs fonctions du pays qui a séquencé

12 147 813 nucléotides

6000 gènes


Complexit d un organisme g nome adn
Complexité d'un organisme chromatinienne génome ( ADN)

  • Corrélation non systématique

  • Génome humain = 200 X génome de Saccharomyces cerevisae

  • Certaines plantes ou amphibiens = 30 X génome humain

  • Amibe = 200 X humain

  • Certains organismes proches les uns des autres = 100 X en raison de l'ADN en excès (même nombre de gènes)


Variation du nombre de chromosomes
Variation du nombre de chromosomes chromatinienne

  • Homme : 46

  • Certains cervidés : 6

  • Certaines carpes : >100

  • Espèces très proches de Muntjac

  • Pas de relations simple entre

    • nombre de chromosomes

    • complexité de l'espèce

    • taille du génome


Fig 4 14
Fig 4-14 chromatinienne

Fusion de chromosomes


Analyse du s quen age du g nome
Analyse du séquençage du génome chromatinienne

  • 1999 Séquençage du chromosome 22 (le plus petit)


Fig 4 15
Fig 4-15 chromatinienne

1,5% du génome


Analyse du s quen age du g nome1
Analyse du séquençage du génome chromatinienne

  • Science et Nature février 2001

  • Human Genome Project (2001)


Table 4 1
Table 4-1 chromatinienne

  • Données statistiques du chromosome 22 et de tout le génome humain


G nome humain
Génome humain chromatinienne

  • 25 fois plus gros que tous les génomes séquencés précédemment

  • 8 fois la somme de tous les génomes séquencés précédemment

  • Séquençage à 1000 nucléotides par seconde

  • A fait reconsidérer toute la biologie

  • 4ème édition du livre entièrement revue


Fig 4 16
Fig 4-16 chromatinienne

Échelle du génome

(A) si 1 mm entre deux bases…

(B) génome =3 200 km

un gène codant pour une protéine tous les 300 mètres

un gène  30 mètres


Trois remarques g n rales sur l arrangement des g nes dans le chromosome
Trois remarques générales sur l'arrangement des gènes dans le chromosome

1 - Quelques % codent pour des protéines ou de l'ARN de structure ou catalytique

Le reste = petits morceaux d'ADN mobiles qui se sont incorporés dans le chromosome au cours de l'évolution


Trois remarques g n rales sur l arrangement des g nes dans le chromosome1
Trois remarques générales sur l'arrangement des gènes dans le chromosome

2 - Taille moyenne d'un gène élevée

une protéine moyenne = 430 acides aminés 1 300 paires de nucléotides

or un gène moyen = 27 000 paires de nucléotides

beaucoup d'ADN non codant qui s'intercale dans l'ADN codant : introns / exons

Alternance exons / introns dans les gènes

Pas d'introns dans les organismes à génome compact  moins d'ADN

Séquences régulatrices d'ADN des dizaines de milliers de paires de nucléotides


Fig 4 17
Fig 4-17 dans le chromosome

Séquence nucléotidique du génome humain

LINES, SINES, retro-viral like elements, DNA only transposons : éléments génétiques mobiles qui se sont multipliés et insérés en différents endroits du génome


Fig 4 171
Fig 4-17 dans le chromosome

Séquence nucléotidique du génome humain

Segmental duplications : gros blocks (1 000 à 200 000 nucléotides) présents à 2 ou plus endroits du génome

Simple sequence repeats (< 14 nucléotides) répétés encore et encore


Fig 4 172
Fig 4-17 dans le chromosome

Séquence nucléotidique du génome humain

Plus de la moitié des séquences uniques sont des gènes

Le reste probablement des séquences régulatrices


Trois remarques g n rales sur l arrangement des g nes dans le chromosome2
Trois remarques générales sur l'arrangement des gènes dans le chromosome

3 - Grand désordre dans l'information

grande pagaille, fouillis, désordre

beaucoup d'ADN dépotoir

information importante répartie dans tout ce désordre

on n'a jamais rien éliminé


Probl mes pos s par l tude des g nes
Problèmes posés par l'étude des gènes dans le chromosome

La plupart de l'ADN est probablement sans importance

Un exon  145 nucléotides en moyenne (petit)

Exon flotte dans une mer d'ADN inutile

Nombreux réarrangements


Solutions pour l tude des g nes
Solutions pour dans le chromosomel'étude des gènes

  • Basées sur l'observation : les séquences qui ont une fonction sont conservées pendant l'évolution

  • Comparaison homme / souris : l'homme et la souris ont divergé d'un ancêtre commun il y a 100 millions d'années

  • Les régions semblables sont celles dans lesquelles les mutations ont éliminé l'animal porteur par sélection naturelle : ce sont les régions conservées ( non conservées)

  • Les expériences de la nature permettent de mettre en lumière les régions les plus intéressantes du génome


Fig 4 18 ab
Fig 4-18(AB) dans le chromosome

Conservation de la synténie (ordre de gènes) entre l'homme et la souris

SOURIS

HOMME


Fig 4 19
Fig 4-19 dans le chromosome

Histoire de notre chromosome 3 par comparaison avec celui d'autres mammifères

Un changement tous les 5 à 10 millions d'années


Muller s2000p206pnas fig1
Muller,S2000p206PNAS (fig1) dans le chromosome


Muller s2000p206pnas fig2
Muller,S2000p206PNAS (fig2) dans le chromosome


Muller s2000p206pnas fig3
Muller,S2000p206PNAS (fig3) dans le chromosome


Muller s2000p206pnas fig4
Muller,S2000p206PNAS (fig4) dans le chromosome


Muller s2000p206pnas fig5
Muller,S2000p206PNAS (fig5) dans le chromosome


3 cycle du chromosome
3 - Cycle du chromosome dans le chromosome

  • Cycle cellulaire

  • Interphase : réplication chromosome interphasique

  • Mitose : condensation et séparation  chromosomes mitotiques : bien visibles


Fig 4 20
Fig 4-20 dans le chromosome

Cycle cellulaire

Interphase

synthèse protéique

réplication de l'ADN et duplication des chromosomes

Phase M

Mitose

Division cellulaire


Fig 4 21
Fig 4-21 dans le chromosome

Chromosome interphasique

Chromosome métaphasique


4 s quences n cessaires et suffisantes pour se dupliquer et passer d une g n ration l autre
4 - Séquences nécessaires et suffisantes pour se dupliquer et passer d'une génération à l'autre

Origines de réplication

séquence d'ADN spécialisée

kinétochore

jusqu'à 100 000 paires de nucléotides chez l'homme

Télomères 2 par chromosome

Centromère


Fig 4 22
Fig 4-22 et passer d'une génération à l'autre

les trois séquences d'ADN nécessaires pour le maintien d'un chromosome


5 emballage de l adn
5 - Emballage de l'ADN et passer d'une génération à l'autre

L'ADN est compacté en chromosomes

eg : chromosome 22 = 48 millions paires de nucléotides

ADN étiré = 1,5 cm

interphase  plus court

métaphase = 2 m

 compaction = 10 000

Protéines de compaction

En interphase compaction = 1 000


Aspect dynamique du chromosome
Aspect dynamique du chromosome et passer d'une génération à l'autre

En fonction du cycle cellulaire

En fonction de l'activité du chromosome

accès aux séquences spécifiques

expression des gènes

réplication de l'ADN


A la fibre nucl osomale
a) La fibre nucléosomale et passer d'une génération à l'autre

  • Chromatine

    • ADN (50 %)

    • Protéines (50 %)

      • histones (60 millions de molécules de chaque classe par cellule)

      • protéines chromosomiques non histones

  • Nucléosome


Fig 4 23
Fig 4-23 et passer d'une génération à l'autre

Nucléosomes en microscopie électronique

Fibre de 30 nm

Après traitement : collier de perles

Cordon = ADN, perle = cœur nucléosomal


B noyau nucl osomal
b) Noyau nucléosomal et passer d'une génération à l'autre

De l'ADN (146 pn)...

enroulé autour d'un noyau protéique formé de 8 histones 2 X (H2A, H2B, H3, H4)

Premier niveau d'emballage de l'ADN (compacte l'ADN de 1/3)


Fawcett
Fawcett et passer d'une génération à l'autre


Fawcett1
Fawcett et passer d'une génération à l'autre


Cook et passer d'une génération à l'autre


Cook200 p
Cook200?p? et passer d'une génération à l'autre

Digestion de la chromatine par les nucléases qui coupent l'ADN entre les nucléosomes

cf. Cook


Cook p2001p
Cook,P2001p? et passer d'une génération à l'autre

Digestion faible : l'ADN exposé entre les noyaux nucléosomaux (= ADN de liaison) (linker DNA) est dégradé


Fig 4 24haut
Fig 4-24haut et passer d'une génération à l'autre

Noyau nucléosomal = 146 paires de nucléotides+octamère d'histones


Fig 4 24bas
Fig 4-24bas et passer d'une génération à l'autre

Cœur protéique = octamère d'histones


Adn de liaison linker dna
ADN de liaison (linker DNA) et passer d'une génération à l'autre

Variable, de quelques paires de nucléotides à 80 paires de nucléotides environ

en théorie, 1 nucléosome = 1 noyau nucléosomal + 1 ADN de liaison adjacent

en pratique, 1 nucléosome = 1 noyau nucléosomal

En gros, il y a un nucléosome tous les 200 paires de nucléotides


Dans une cellule
Dans une cellule et passer d'une génération à l'autre

6,4 milliards paires de nucléotides  200  30 millions de nucléosomes


Structure du noyau nucl osomal
Structure du noyau nucléosomal et passer d'une génération à l'autre

Résolu en 1997

1,65 tours d'ADN autour de l'octamère d'histones


Fig 4 25
Fig 4-25 et passer d'une génération à l'autre

Noyau nucléosomal (diffraction des rayons X)


C histones

1 histone et passer d'une génération à l'autre 102 ~ 135 acides aminés

Structure commune : 3 hélices  reliées par 2 boucles

c) Histones


Fig 4 26
Fig 4-26 et passer d'une génération à l'autre

Organisation structurale des histones du cœur protéique

Motif des 4 histones

Dimère H2A-H2B en "poignée de main"


Formation du noyau prot ique
Formation du noyau protéique et passer d'une génération à l'autre

Formation d'un dimère H3 - H4

Formation d'un dimère H2A - H2B

(Dimère H3 - H4) + (Dimère H3 - H4) = (Tétramère H3 - H4)

Tétramère H3 - H4 + 2 (Dimère H2A - H2B) = noyau protéique


Fig 4 27haut
Fig 4-27haut et passer d'une génération à l'autre

Assemblage d'un octamère d'histone


Fig 4 27bas
Fig 4-27bas et passer d'une génération à l'autre

Assemblage d'un octamère d'histone

Les 8 extrémités -N font saillie

Dimère H3 - H4

Dimère H2A - H2B


Interface adn histones
Interface ADN et passer d'une génération à l'autre/ histones

142 liaisons H entre ADN et histones

Histones riches en lys et arg (+) ADN chargé (-)

Longue queue N terminal  modifications covalentes


Conservation des histones
Conservation des histones et passer d'une génération à l'autre

Parmi les plus conservées des protéines des eucaryotes

H4 petit pois et H4 de la vache ne diffèrent que à 2 positions sur 104

Il existe des variants


D position des nucl osomes sur l adn
d) Position des nucléosomes sur l'ADN et passer d'une génération à l'autre

Flexibilité de l'ADN

Liaison d'autres protéines


Flexibilit de l adn
Flexibilité de l'ADN et passer d'une génération à l'autre

Tout ADN peut s'enrouler autour d'un nucléosome (en principe)

Il faut pouvoir courber l'ADN pour faire les 2 tours  compression du sillon mineur

AT est plus facile à courber que GC


Fig 4 28
Fig 4-28 et passer d'une génération à l'autre

Compression du petit sillon autour du nucléosome


Flexibilit de l adn1
Flexibilité de l'ADN et passer d'une génération à l'autre

Tout ADN peut s'enrouler autour d'un nucléosome (en principe)

Il faut pouvoir courber l'ADN pour faire les 2 tours  compression du sillon mineur

AT est plus facile à courber que GC

Certains nucléosomes ont une position très précise

En général position approximative


Liaison d autres prot ines
Liaison d'autres protéines et passer d'une génération à l'autre

Favorise la liaison du nucléosome

Obstacle à la liaison du nucléosome

En fait tout est très dynamique


E fibre chromatinienne d ordre sup rieur
e) Fibre chromatinienne d'ordre supérieur et passer d'une génération à l'autre

"Collier de perles" = rare dans la cellule vivante

Fibre de 30 nm beaucoup plus probable


Nombreux sch mas de fibres de 30 nm
Nombreux schémas de fibres de 30 nm et passer d'une génération à l'autre

Zigzag…

et ses variations : "mosaïque fluide de variations sur le modèle zigzag"

Éléments qui interviennent

l'ADN de liaison

protéines de liaison à l'ADN

séquence de l'ADN


Bednar j1998 fig1
Bednar,J1998(fig1) et passer d'une génération à l'autre


Bednar j1998 fig2
Bednar,J1998(fig2) et passer d'une génération à l'autre


Bednar j1998 fig3
Bednar,J1998(fig3) et passer d'une génération à l'autre


Fig 4 29
Fig 4-29 et passer d'une génération à l'autre

Variations sur le modèle de la fibre de 30 nm en zigzag

Interconversion des modèles les uns dans les autres


Fig 4 30
Fig 4-30 et passer d'une génération à l'autre

Irrégularités de la fibre de 30 nm

régions avec des protéines de liaison à l'ADN

ADN sans nucléosomes


Formation de la fibre de 30 nm
Formation de la fibre de 30 nm et passer d'une génération à l'autre

Histone H1

Queues des histones


Histone h1
Histone H1 et passer d'une génération à l'autre

Mal conservée

Liaison avec l'ADN et les protéines

Grande importance du point de sortie de l'ADN hors du nucléosome


Fig 4 31
Fig 4-31 et passer d'une génération à l'autre

Rôle de H1 sur le nucléosome


Queues des histones
Queues des histones et passer d'une génération à l'autre

Liaisons des nucléosomes les uns aux autres


Fig 4 32
Fig 4-32 et passer d'une génération à l'autre

Rôle hypothétique des queues d'histones dans la formation de la fibre de 30 nm

les queues aident à la formation de la fibre de 30 nm

contact entre les queues et le nucléosome adjacent en diffraction de rayons X

liaison entre queue et ADN


6 r gulation de l activit de la chromatine
6 - Régulation de l’activité de la chromatine et passer d'une génération à l'autre

  • a) Les complexes de remodelage de la chromatine

  • b) Modifications des queues des histones


A remodelage de la chromatine complexes de remodelage chromatinien
a) Remodelage de la chromatine : complexes de remodelage chromatinien

Machines protéiques qui hydrolysent de l'ATP

pour changer temporairement la structure des nucléosomes

et l'ADN est lié moins fort au noyau protéique du nucléosome

Mouvements de H2A H2B dans le noyau protéique


Cons quences du remodelage des nucl osomes
Conséquences du remodelage des nucléosomes chromatinien

Accès de protéines aux nucléosomes

expression des gènes, réplication, réparation de l'ADN

Le nucléosome peut rester dans un état remodelé même après la dissociation du complexes de remodelage chromatinien mais liaisons ADN-protéines relâchées

Possibilité de changement de la position des nucléosomes le long de l'ADN


Fig 4 33
Fig 4-33 chromatinien

Modèle de mécanisme de certains complexes de remodelage chromatinien

Les contacts ADN - histones sont faibles


Swi snf b chromatin remodeling complex
SWI-SNF-B chromatinienchromatin-remodeling complex

  • A member of the SWI/SNF family of ATP-dependent chromatin-remodeling complexes ;

  • A multi-subunit complex that contains BRG1, BAF170, BAF155, BAF60a, BAF57, BAF53, actin, hSNF5/INI1, and BAF18


Abr viations
Abréviations chromatinien


Nature Reviews Cancer 4, 133-142 (2004) chromatinienTHE SWI/SNF COMPLEX — CHROMATIN AND CANCER Charles W. M. Roberts & Stuart H. Orkin

  • Chromatin consists of DNA wrapped around nucleosomes in progressively higher-order structures. Histone acetyltransferases (HATs) are an example of complexes that covalently modify DNA and lead to relaxation of chromatin structure. SWI/SNF uses ATP hydrolysis to slide nucleosomes along the DNA helix and expose the DNA to transcription factors. Often, these two types of complex work in concert to regulate transcription.



Kingston re1999p2339 fig2
Kingston,RE1999p2339 (fig2) chromatinien

Famille de complexes SWI/SNF en pourpre

  • Composition de différents complexes de remodelage chromatinien ATP-dépendent

Homologues ISWI en rouge




Complexes de remodelage chromatinien
Complexes de remodelage chromatinien chromatinien

  • Gros complexes protéiques de plus de 10 sous-unités

  • Permettent l'accessibilité à l'ADN quand nécessaire

  • Reformation des nucléosomes

  • Contrôle étroit par la cellule

  • Inactivés par phosphorylation pendant la mitose  compaction


Fig 4 34
Fig 4-34 chromatinien

Mécanisme cyclique de perturbation et reformation des nucléosomes





B modifications des queues d histones
b) Modifications des queues d'histones chromatinien

  • Acétylation des lysines

  • Méthylation des lysines

  • Phosphorylation des sérines

  • Ubiquitinylation


Fig 4 35 a
Fig 4-35(A) chromatinien

Modifications connues des 4 queues d'histones


Modifications des queues d histones
Modifications des queues d'histones chromatinien

Avant ou après leur synthèse

En général après l'assemblage en nucléosome

Enzymes nucléaires

HAT (Histone Acétyl Transférase)

HDAC (Histone DéACétylase)


Modifications des queues d histones1
Modifications des queues d'histones chromatinien

Agit peu sur le nucléosome

Agit sur la stabilité se la fibre de 30 nm : eg acétylation déstabilise la chromatine

Attraction de protéines spécifiques

Modifications  code d'étirement de la chromatine à la cellule


Fig 4 35 b
Fig 4-35(B) chromatinien

Code de modifications des histones


Code de modifications des histones
Code de modifications des histones chromatinien

Nombreuses combinaisons de modifications

Exemple :

vient d'être répliqué

ne pas transcrire


Conclusion dynamisme de la chromatine
Conclusion : dynamisme de la chromatine chromatinien

Complexes de remodelage chromatinien

Modifications des queues d'histones

Compaction / décompaction permanente

Coopération des deux mécanismes


ad