Organisation moléculaire et supramoléculaire des chromosomes Mary Callanan INSERM E353, Institut Albert Bonniot UF d’Hématologie Cellulaire et Moléculaire

Organisation des chromosomes Aspects moléculaires - la double hélice - le nucléosome - les histones de cœur, les histones de liaison Aspects supramoléculaires - formation du chromosome mitotique - structure du chromosome mitotique - le centromère / telomère

INTRODUCTION La compréhension de l'organisation des chromosomes nécessite de résoudre le problème posé par le "logement" d'une grande longueur d'ADN (2M) dans une structure très petite (10mM). Le contenu en ADN d'une cellule humaine est = 3 x 109 paires de bases (pb).

La fibre nucléosomique Le chromosome est organisé à partir d'une fibre formée par une molécule unique d'ADN associée à des protéines Fibre nucléohistonique : ADN / histones Elle est structurée en unités répétées (les nucléosomes) d'où le nom de fibre nucléosomique. Elle représente la structure primaire du chromosome. Les histones de cœur ; H2A, H2B, H3, H4 Linker histone : H1 Petites protéines basiques – 12kD à 15kD

L'examen en microscopie électronique après digestion par des endonucléases révèle une fibre très fine formée par un alignement de particules de 100 Å de diamètre : ce sont les nucléosomes, particules qui se répètent le long de la fibre. Elles sont reliées par des filaments de 140 Å de longueur ce qui donne une organisation en perles d'un collier (en l’absence de l’histone linker H1).

Le nucléosome Histone octamère : Hétérodimères : H2A/H2B, H3/H4

- contact avec l’ADN à « la rentrée » et « la sortie » du nucleosome H3 H4 H2A H2B H3 – rôle unique – contact avec H2A - contact avec l’ADN à « la rentrée » et « la sortie » du nucleosome

H3 H4 H2A H2B Concentration saline modérée

+ Quelques notions pratiques… Sel pH Température 146 / 147 bp a-satellite pallindrome Histones Clonés, purifiées à partir de E. coli Purifiées à partir de noyaux erythrocytaires.. Sel pH Température

Le nucleosome The crystal structure of reconstituted nucleosomes composed of purified erythrocyte histones + alpha satellite DNA is identical to that obtained from cloned purified histones + alpha satellite DNA Indicates histone modifications do not modify nucleosome structure

Modifications post-traductionnelles des histones Nature des modifications post-traductionnelles des histones Queues N-terminaux des histones - Acétylation - Phosphorylation - Méthylation - Ubiquitination Fonction des modifications posts-traductionnelles des histones - Hypothèse du « code d’histone » (Bryan Turner, David Allis) - Certaines modifications des histones – « demi vie » courte - contrôle de la transcription (activation / répression) - Certaines modifications sont stables dans le temps et sont héritées au cours des divisions cellulaires - Mémoire transcriptionnel - Contrôle du dévelopment, différentiation cellulaire

H4 tail Cofacteur Acetyl-lysine

Henikoff, Trends Genet. 2004 Jul;20(7):320-6.

Compaction de l’ADN de 6 à 7 fois Scaffold Attachment Region 1970s Approches biochimique / Biophysique / microscopie électronique / digestion par des nucléases / crystallographie… Swedlow, Mol Cell, 2003

30 nm fibre => compaction de 6 à 7 fois le nucleosome

Etapes dans la formation d’un chromosome mitotique Topo II Swedlow and Hirano, Mol Cell, vol 11, pp557-569

La démonstration de l’existence d’une skélete centrale sur laquelle s’ancrent la chromatine en forme de boucle date des années 1970 (Laemmli)

Comprendre la structure et mécanisme de formation du chromosome mitotique Approches experimentales « Fractionation » / identification des composants de chromosomes mitotiques purifiés « Cell free systems » - reconstitution d’un chromosome mitotique in vitro/ identification des composants

Comprendre la structure et mécanisme de formation du chromosome mitotique Histones de cœurs, histone de liaison Topoisomérase II (forme Topo IIa) « ATP-dependent DNA-strand passing enzyme » « condensin complex » - complexe à activité ATPase composé de 5 sous-unités dont 2 sous-unités de cœur : SMC4, SMC2 (famille SMC des ATPases chromosomiques - Structural Maintenance of Chromosomes) ++++ abondant au niveau des chromosomes mitotiques

W.C. Earnshaw and M.M.S. Heck, Localization of topoisomerase II in mitotic chromosomes. J. Cell Biol. 100 (1985), pp. 1716–1725.

Comprendre la structure et mécanisme de formation du chromosome mitotique Histones de cœurs, histone de liaison Topoisomérase II (forme TopoIIa) « ATP-dependent DNA-strand passing enzyme » « condensin complex » - activité ATPase 5 sous-unités – sous-unités de cœur : SMC4, SMC2 Famille SMC des ATPases chromosomiques (Structural Maintenance of Chromosomes) ++++ abondant au niveau des chromosomes mitotiques

Condensin Complex Modèle structural ATPase

Chromatides sœurs …séparation

Histones et signalisation dans la formation du chromosome mitotique Phosphorylation de la Sérine 10, 28 – H3 Hypérphosphorylation de l’histone H1 Remplacement de l’histone H3 par CENP-A au niveau des centromères

Organisation du chromosome mitotique Caryotype en bande R

Exemple – 6p22.2 – 6p22.3

Le centromère

CENP-A nucleosomes a-satellite I a-satellite II