Le%20nucl

1
Le nucléosome

• ADN et chromosomes

2
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

3
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 lactivité de la chromatine

4
1 - Le chromosome

• 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

5
Chromatine (Walter Flemming 1882)

• ADN protéines
• Décrit par Flemming (1882)
• Colorable

6
Walter Flemming (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 jusquen 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.

7
Walter Flemming (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.

8
Walter Flemming Les 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.

9
Walter Flemming autres 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.

10
Protéines de la chromatine

• Emballage de l'ADN
• Régulation de l'expression des gènes
• Réplication et réparation de l'ADN

11
Chromosome bactérien

• Une seule molécule d'ADN circulaire
• Protéines d'emballage différentes
• Mal connu

12
Les chromosomes eucaryotes

• 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

13
Jeux chromosomiques

• Homme 22 paires d'autosomes X Y
• Femme 22 paires d'autosomes X X
• Homme 46,XY
• Femmes 46,XX

14
Mise en évidence des chromosomes

• Hybridation
• Colorants

15
Fig 4-10

• Hybridation de chromosomes humains masculins
• Caryotype spectral (peinture chromosomique)

16
Fig 4-11

• Chromosomes humains masculins
• Coloration au Giemsa
• chaque chromosome a un marquage longitudinal
  spécifique qui permet de le reconnaître

17
Caryotype

• Affichage des 46 chromosomes à la mitose
• Mise en évidence des anomalies

18
Caryotype féminin normal
19
Fig 4-12

• Anomalie chromosomique
• (A) Coloration au Giemsa
• (B) Peinture chromosomique

4
12
4
12
N
t
N
t
20
2 - Organisation des gènes sur le chromosome

• Un gène ?
• protéine
• ARN

21
Complexité d'un organisme ? nombre de gènes

• Corrélation positive
• Bactérie 500
• Humain 30 000
• Beaucoup d'ADN
• sans information
• dépotoir (!)
• expression des gènes

22
Table I-1

• Génomes ayant été totalement séquencés
• (A) Eubactéries

23
Table I-1

• Génomes ayant été totalement séquencés
• (B) Archae

24
Table I-1

• Génomes ayant été totalement séquencés
• (C) Eucaryotes

25
Fig 4-13

• Génome de Saccharomyces cerevisae
• 16 chromosomes
• Couleurs fonctions du pays qui a séquencé
• 12 147 813 nucléotides
• 6000 gènes

26
Complexité d'un organisme ? 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)

27
Variation du nombre de chromosomes

• Homme 46
• Certains cervidés 6
• Certaines carpes gt100
• Espèces très proches de Muntjac
• Pas de relations simple entre
• nombre de chromosomes
• complexité de l'espèce
• taille du génome

28
Fig 4-14

• Fusion de chromosomes

29
Analyse du séquençage du génome

• 1999 Séquençage du chromosome 22 (le plus petit)

30
Fig 4-15
1,5 du génome
31
Analyse du séquençage du génome

• Science et Nature février 2001
• Human Genome Project (2001)

32
Table 4-1

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

33
Génome humain

• 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

34
Fig 4-16

• 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

35
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

36
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

37
Fig 4-17

• 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

38
Fig 4-17

• 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 (lt 14 nucléotides)
  répétés encore et encore

39
Fig 4-17

• Séquence nucléotidique du génome humain
• Plus de la moitié des séquences uniques sont des
  gènes
• Le reste probablement des séquences régulatrices

40
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

41
Problèmes posés par l'étude des gènes

• 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

42
Solutions pour l'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

43
Fig 4-18(AB)

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

SOURIS
HOMME
44
Fig 4-19

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

Un changement tous les 5 à 10 millions d'années
45
Muller,S2000p206PNAS (fig1)
46
Muller,S2000p206PNAS (fig2)
47
Muller,S2000p206PNAS (fig3)
48
Muller,S2000p206PNAS (fig4)
49
Muller,S2000p206PNAS (fig5)
50
3 - Cycle du chromosome

• Cycle cellulaire
• Interphase réplication ?chromosome
  interphasique
• Mitose condensation et séparation ? chromosomes
  mitotiques bien visibles

51
Fig 4-20

• Cycle cellulaire
• Interphase
• synthèse protéique
• réplication de l'ADN et duplication des
  chromosomes
• Phase M
• Mitose
• Division cellulaire

52
Fig 4-21
Chromosome interphasique
Chromosome métaphasique
53
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

54
Fig 4-22

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

55
5 - Emballage de l'ADN

• 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

56
Aspect dynamique du chromosome

• En fonction du cycle cellulaire
• En fonction de l'activité du chromosome
• accès aux séquences spécifiques
• expression des gènes
• réplication de l'ADN

57
a) La fibre nucléosomale

• Chromatine
• ADN (50 )
• Protéines (50 )
• histones (60 millions de molécules de chaque
  classe par cellule)
• protéines chromosomiques non histones
• Nucléosome

58
Fig 4-23

• Nucléosomes en microscopie électronique

Fibre de 30 nm
Après traitement collier de perles
Cordon ADN, perle cœur nucléosomal
59
b) Noyau nucléosomal

• 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)

60
Fawcett
61
Fawcett
62
Cook
63
Cook200?p?

• Digestion de la chromatine par les nucléases qui
  coupent l'ADN entre les nucléosomes
• cf. Cook

64
Cook,P2001p?

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

65
Fig 4-24haut

• Noyau nucléosomal 146 paires de
  nucléotidesoctamère d'histones

66
Fig 4-24bas

• Cœur protéique octamère d'histones

67
ADN de liaison (linker DNA)

• 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

68
Dans une cellule

• 6,4 milliards paires de nucléotides ? 200 ? 30
  millions de nucléosomes

69
Structure du noyau nucléosomal

• Résolu en 1997
• 1,65 tours d'ADN autour de l'octamère d'histones

70
Fig 4-25

• Noyau nucléosomal (diffraction des rayons X)

71
c) Histones

• 1 histone ? 102 135 acides aminés
• Structure commune 3 hélices ? reliées par 2
  boucles

72
Fig 4-26

• Organisation structurale des histones du cœur
  protéique

Dimère H2A-H2B en "poignée de main"
Motif des 4 histones
73
Formation du noyau protéique

• 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

74
Fig 4-27haut

• Assemblage d'un octamère d'histone

75
Fig 4-27bas

• Assemblage d'un octamère d'histone
• Les 8 extrémités -N font saillie

Dimère H3 - H4
Dimère H2A - H2B
76
Interface ADN / histones

• 142 liaisons H entre ADN et histones
• Histones riches en lys et arg () ADN chargé (-)
• Longue queue N terminal ? modifications covalentes

77
Conservation des histones

• 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

78
d) Position des nucléosomes sur l'ADN

• Flexibilité de l'ADN
• Liaison d'autres protéines

79
Flexibilité de l'ADN

• 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

80
Fig 4-28

• Compression du petit sillon autour du nucléosome

81
Flexibilité de l'ADN

• 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

82
Liaison d'autres protéines

• Favorise la liaison du nucléosome
• Obstacle à la liaison du nucléosome
• En fait tout est très dynamique

83
e) Fibre chromatinienne d'ordre supérieur

• "Collier de perles" rare dans la cellule
  vivante
• Fibre de 30 nm beaucoup plus probable

84
Nombreux schémas de fibres de 30 nm

• 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

85
Bednar,J1998(fig1)
86
Bednar,J1998(fig2)
87
Bednar,J1998(fig3)
88
Fig 4-29

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

Interconversion des modèles les uns dans les
autres
89
Fig 4-30

• Irrégularités de la fibre de 30 nm
• régions avec des protéines de liaison à l'ADN
• ADN sans nucléosomes

90
Formation de la fibre de 30 nm

• Histone H1
• Queues des histones

91
Histone H1

• Mal conservée
• Liaison avec l'ADN et les protéines
• Grande importance du point de sortie de l'ADN
  hors du nucléosome

92
Fig 4-31

• Rôle de H1 sur le nucléosome

93
Queues des histones

• Liaisons des nucléosomes les uns aux autres

94
Fig 4-32

• 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

95
6 - Régulation de lactivité de la chromatine

• a) Les complexes de remodelage de la chromatine
• b) Modifications des queues des histones

96
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

97
Conséquences du remodelage des nucléosomes

• 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

98
Fig 4-33

• Modèle de mécanisme de certains complexes de
  remodelage chromatinien

Les contacts ADN - histones sont faibles
99
SWI-SNF-B chromatin-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

100
Abréviations
BAF Brg1/Brm-associated factor
BAP Brm-associated protein
ChIP chromatin immunoprecipitation
HDAC histone deacetylase
HMG high mobility group
MNase micrococcal nuclease
RSC remodels the structure of chromatin
SAGA SptAdaGcn5acetyltransferase
SWI/SNF mating type switching/sucrose non-fermenting
TBP TATA-binding protein
101
Nature Reviews Cancer 4, 133-142 (2004)THE
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.

102
Kingston,RE1999p2339(fig1)
103
Kingston,RE1999p2339 (fig2)

• Composition de différents complexes de remodelage
  chromatinien ATP-dépendent

Famille de complexes SWI/SNF en pourpre
Homologues ISWI en rouge
104
Kingston,RE1999p2339 (fig3)
105
Kingston,RE1999p2339 (fig4)
106
Complexes de remodelage 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

107
Fig 4-34

• Mécanisme cyclique de perturbation et reformation
  des nucléosomes

108
Travers,A1999p311(fig1)
109
Travers,A1999p311(fig2)
110
Travers,A1999p311(fig3)
111
b) Modifications des queues d'histones

• Acétylation des lysines
• Méthylation des lysines
• Phosphorylation des sérines
• Ubiquitinylation

112
Fig 4-35(A)

• Modifications connues des 4 queues d'histones

113
Modifications des queues d'histones

• Avant ou après leur synthèse
• En général après l'assemblage en nucléosome
• Enzymes nucléaires
• HAT (Histone Acétyl Transférase)
• HDAC (Histone DéACétylase)

114
Modifications des queues d'histones

• 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

115
Fig 4-35(B)

• Code de modifications des histones

116
Code de modifications des histones

• Nombreuses combinaisons de modifications
• Exemple
• vient d'être répliqué
• ne pas transcrire

117
Conclusion dynamisme de la chromatine

• Complexes de remodelage chromatinien
• Modifications des queues d'histones
• Compaction / décompaction permanente
• Coopération des deux mécanismes