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

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 Nucleoplasme 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). Nucleoplasme Nucleole Euchromatine Figure 5-25

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.

Unités de transcription Fig 10-2 Sites d’épisssage enhancer Polyadénylation Fig 4-14

Unités de transcription Unités de transcription complexes

Unités de transcription

Organisation des gènes et régions non codantes ADN génomique: comparaison de la densité de gènes dans 80 kb: Humain vs levure. 80kb Le génome de plusieurs organismes contient beaucoup d'ADN non codant. La densité de gènes varie beaucoup dans différentes régions des chromosomes humains.

Chromosomes humains Variation de la densité de gènes sur les différents chromosomes

Organisation des gènes codants pour des protéines sur les chromosomes Gènes dupliqués (familles de gènes fonctionnels) Gènes similaires mais non identiques Gènes solitaires: 25 à 50% des gènes codants pour des protéines sont présents 1X dans le génome

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 environ la 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.

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

Structure des nucléosomes 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 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

Acétylation des histones Chaîne latérale de la lysine + CH3COO-  + H2O NH3+ NH COCH3

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.