B3 · Acides nucléiques
Chromatine : nucléosome et niveaux de compaction
Décrire le nucléosome, les histones et les niveaux successifs de compaction de l'ADN jusqu'au chromosome métaphasique. Distinguer euchromatine et hétérochromatine et relier l'état de compaction à l'accessibilité transcriptionnelle.
Biologie moléculaire et génome7 min de lecture15 QCM corrigés
Organisation générale de la chromatine
Chez les eucaryotes, l'ADN nucléaire est beaucoup plus long que le diamètre du noyau. Il ne peut donc pas rester sous la forme d'une double hélice libre : il s'associe à des protéines et se replie selon plusieurs niveaux d'organisation. Cette compaction permet à la fois son rangement, sa protection et le contrôle de son accessibilité.
La chromatine n'est pas un emballage inerte. Sa structure est dynamique : elle doit se relâcher localement pour permettre la transcription, la réplication ou la réparation de l'ADN, puis se compacter de nouveau. Son degré de condensation varie donc selon la région du génome et selon l'étape du cycle cellulaire.
Les histones
À pH physiologique, les groupements phosphate de l'ADN portent des charges négatives. Les histones, enrichies en lysine et en arginine, portent des charges positives. Leur association repose donc notamment sur des interactions électrostatiques entre l'ADN et les histones.
Les principales histones sont réparties en deux groupes :
- les histones du cœur, H2A, H2B, H3 et H4, qui constituent le centre protéique du nucléosome ;
- l'histone de liaison H1, qui se fixe à l'extérieur du cœur et stabilise l'entrée et la sortie de l'ADN.
Chaque histone du cœur possède une région structurée assurant les interactions entre histones et une extrémité flexible appelée queue histonique, qui dépasse du nucléosome. Ces queues peuvent recevoir des modifications chimiques influençant les interactions de la chromatine avec d'autres protéines. Le détail de ces modifications relève de la fiche consacrée à la régulation épigénétique.
Le nucléosome, unité élémentaire de compaction
L'octamère contient huit histones :
- deux molécules de H2A ;
- deux molécules de H2B ;
- deux molécules de H3 ;
- deux molécules de H4.
Son assemblage peut être compris comme l'association d'un tétramère formé de deux H3 et de deux H4 avec deux dimères H2A-H2B.
Environ 147 paires de bases d'ADN effectuent approximativement 1,7 tour autour de l'octamère. Deux nucléosomes successifs sont séparés par un segment d'ADN de liaison, dont la longueur est variable. L'ensemble évoque une succession de particules reliées par des segments d'ADN et forme une fibre d'environ 10 à 11 nm de diamètre.
L'enroulement de l'ADN autour des histones raccourcit sa longueur apparente. Cependant, il impose aussi un obstacle physique aux protéines qui doivent reconnaître une séquence particulière. Le nucléosome doit donc pouvoir être déplacé, retiré ou réorganisé localement.
Les niveaux successifs de compaction
La compaction chromatinienne ne correspond pas à un empilement rigide et identique dans tout le noyau. Elle résulte d'une organisation hiérarchique et dynamique.
De la double hélice à la fibre nucléosomique
La double hélice d'ADN possède un diamètre voisin de 2 nm. Son association aux octamères d'histones produit la fibre nucléosomique de 10 à 11 nm. Ce premier niveau réduit la longueur apparente de l'ADN tout en conservant une certaine flexibilité.
Repliement de la fibre nucléosomique
Les nucléosomes interagissent entre eux grâce à leurs queues histoniques, à l'histone H1 et à diverses protéines associées. Ces interactions rapprochent des nucléosomes non immédiatement voisins.
Une fibre d'environ 30 nm a classiquement été décrite selon deux organisations théoriques :
- une organisation en solénoïde, dans laquelle les nucléosomes suivent un trajet hélicoïdal ;
- une organisation en zigzag, dans laquelle l'ADN de liaison traverse l'axe de la fibre.
Ces modèles rendent compte d'un niveau supplémentaire de compaction, mais une fibre régulière de 30 nm n'est pas uniformément observée dans les cellules vivantes. La chromatine nucléaire présente plutôt des replis irréguliers et variables.
Domaines en boucles
La fibre chromatinienne forme ensuite des boucles attachées à une charpente protéique. Ces boucles regroupent des régions chromosomiques et organisent l'espace nucléaire. Leur formation permet de rapprocher ou de séparer certaines séquences sans modifier l'ordre linéaire des nucléotides.
Condensation du chromosome métaphasique
Lors de l'entrée en mitose, les boucles chromatiniennes se replient davantage. Les condensines favorisent la formation et la stabilisation des boucles condensées, tandis que les cohésines participent au maintien de l'association entre les chromatides sœurs après la réplication.
La condensation atteint son maximum en métaphase. Le chromosome métaphasique est alors individualisé et visible en microscopie. Il comprend deux chromatides sœurs reliées dans la région du centromère. Chaque chromatide contient une molécule continue d'ADN associée à des protéines.
Euchromatine et hétérochromatine
Toutes les régions du génome ne présentent pas le même degré de compaction pendant l'interphase.
L'hétérochromatine constitutive reste condensée dans la plupart des cellules. Elle concerne des régions dont la fonction dépend surtout de leur organisation structurale et qui comportent fréquemment des séquences répétées.
L'hétérochromatine facultative correspond à une chromatine condensée dans certaines cellules ou à certains moments, mais susceptible de redevenir plus ouverte. Son état dépend donc du programme d'expression génique.
La relation entre compaction et transcription repose sur l'accessibilité physique de l'ADN. Pour initier la transcription, les facteurs de transcription et l'ARN polymérase doivent atteindre leurs séquences cibles. Une chromatine ouverte facilite leur fixation ; une chromatine condensée limite leur accès.
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