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Genome organization in french
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BIO3570/BCH 3570 Automne 2012
Biologie Moléculaire
Organisation du génome –I
- Structure générale et composition des chromosomes
- Structure des Nucléosomes
- Modifications des histones et de la chromatine
Marc Ekker
Département de Biologie
Pav. Gendron, pièce 280
Tel : 562-5800 poste 2605
11 Septembre 2012
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Objectifs d’Apprentissage
À la fin de cette section, vous devriez être en mesure de :
- Pouvoir dire, d’une manière approximative, la composition du génome humain
en séquences codant pour des protéines (exons), en introns et en séquences
répétitives.
- Pouvoir dire, d’une manière approximative, la taille moyenne d’un exon et la
gamme de tailles que l’on peut trouver pour les introns.
- Expliquer le concept de synténie et celui de synténie conservée.
- Faire la revue de l’organisation générale des chromosomes et dire le rôle des
télomères, centromères et origines de réplication, concepts avec lesquels vous
devriez déjà être familiers.
- Nommer, dans l’ordre, les quatre niveaux de condensation des chromosomes
et les décrire brièvement.
- Décrire la structure du cœur d’histones et les étapes menant à son
assemblage.
- Décrire brièvement le rôle des complexes de remodelage de la chromatine et
énumérer quelques modifications que l’on retrouve sur les queues d’histones.
- Expliquer en quoi les formes variantes des histones diffèrent des formes
principales.
- Expliquer le rôle de l’histone H1 et des queues d’histones dans la formation de
la structure de 30 nm.
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L’ADN des différents organismes vivants est organisé en longues molécules qui
doivent être compactées afin d’occuper un espace raisonnable au niveau de la cellule.
Chez les eucaryotes, l’ADN est organisé en chromosomes dans le noyau et chaque
chromosome est fait d’une molécule d’ADN linéaire qui est associée à des protéines qui
plient et organisent cette molécule d’ADN en une structure compacte. L’ADN des
bactéries est, quant à lui, organisé en une molécule, le plus souvent circulaire. On réfère
souvent au chromosome bactérien malgré le fait que les propriétés de celui-ci diffèrent de
celles des chromosomes eucaryotes.
Dans cette partie du cours, nous allons examiner les mécanismes par lesquels l’ADN,
particulièrement celui des eucaryotes en organisé en chromosomes. En utilisant nos
connaissances de la séquence du génome humain, nous commencerons par voir comment
le génome humain est réparti en différents types de séquences. Puis, nous examinerons
les divers niveaux d’organisation de la chromatine, en partant de l’ADN linéaire jusque
dans sa forme la plus condensée, le chromosome en phase mitotique.
1. Le génome humain et sa composition :
Le tableau suivant nous donne quelques statistiques sur les diverses formes de
séquences que l’on retrouve dans le génome humain.
La première chose qui saute aux yeux est à quel point le pourcentage de la séquence en
ADN qui code pour des protéines est faible : 1.5 %. On remarque aussi la grande taille
des gènes (27,000 nucléotides en moyenne) et la forte proportion d’ADN répétitif (50%).
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La représentation proportionnelle des différents types de séquences est montrée sur cette
figure :
Un aspect des plus surprenants de la séquence du génome est le niveau apparent de
désorganisation. On retrouve une quantité énorme d’information qui semble superflue et
l’information « cruciale » ne semble pas montrer d’organisation logique évidente.
Structure et organisation générale des chromosomes
Les gènes sont organisés sur les chromosomes de manière linéaire mais sans lien
logique évident, du moins chez les eucaryotes. La quantité d’ADN ne corrèle pas
nécessairement avec la complexité du génome et le nombre de chromosomes ne corrèle
pas non plus avec la taille du génome. Il y a 46 chromosomes dans une cellule diploïde
humaine mais seulement 6 chez une espèce de cerf. Deux espèces très proches peuvent
avoir un nombre de chromosomes très différents. On sait que des évènements de fusion
ou de réarrangements de chromosomes sont produits fréquemment au cours de
l’évolution.
Maintenant qu’un nombre croissant de génomes sont soit cartographiés soit séquencés,
on peut reconstruire l’histoire des divers chromosomes. En faisant la comparaison des
génomes humain et de la souris, on s’aperçoit que ces deux espèces, malgré qu’elles aient
divergé d’un ancêtre commun il y a environ 100 millions d’années, ont à peu près le
même nombre de gènes et qu’elles partagent beaucoup de ces gènes. De plus, plusieurs
de ces gènes se retrouvent au sein de blocs sur des morceaux de chromosomes où leur
ordre est assez bien conservé. On dit de deux gènes qui sont sur le même chromosome
qu’ils sont synténiques. Quand deux gènes qui sont synténiques dans une espèce le sont
également dans une autre espèce, on parle alors de synténie conservée, comme l’illustre
la figure suivante.
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Figure : Chromosomes humains à gauche et souris à droite. Les régions de synténie
conservée entre la souris et l’humain sont indiquées par des couleurs identiques. Les
régions en noir sont composées principalement d’ADN répétitif.
Donc, en comparant les chromosomes d’espèces voisines, on peut reconstruire leur
histoire.
Organisation générale des chromosomes :
A chaque division cellulaire, l’ADN de la cellule est répliqué. Chaque chromosome se
comporte comme une unité structurale distincte. Chaque chromosome doit donc contenir
les éléments nécessaires à sa réplication et sa répartition correcte entre les deux cellules-
filles. Pour ce faire, les chromosomes ont besoin de trois éléments de séquence :
1) les origines de réplication, que nous verrons en détails plus tard dans le cours.
2) le centromère qui permet aux deux copies du chromosome obtenues lors de la
réplication de l’ADN d’être amenées dans les cellules filles au moment de la
division cellulaire.
3) Les télomères, qui constituent les extrémités du chromosome qui ont plusieurs
fonctions, dont la protection des extrémités du chromosome.
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Condensation et organisation de l’ADN dans les chromosomes :
Si on prend comme exemple le chromosome 22 humain, dont la taille fait 48 million de
nucléotides, celui-ci, un fois étiré, occuperait une longueur de 1.5 cm, donc beaucoup
plus grande que la taille d’une cellule. Cependant, sous sa forme de chromosome
mitotique, il ne fait que 2 μm, donc un facteur de compactage d’environ 10,000 fois.
Nous allons maintenant examiner les divers niveaux de condensation de l’ADN dans
les chromosomes. Ce sont, dans l’ordre :
1) les nucléosome
2) les fibres de 30 nm
3) Un modèle pour le chromosome au cours de l’interphase.
4) Finalement, nous verrons qu’au cours de la phase M de la mitose, les
chromosomes se retrouvent dans un état de condensation maximale.
1) Nucléosomes: Les protéines qui se fixent sur l’ADN pour former les chromosomes sont constituées de
deux grandes classes: les histones et le protéines chromosomiques non-histone. On
appelle chromatine le complexe formé par ces deux classes de protéines avec l’ADN du
noyau.
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Nucléosomes: Le premier niveau
d’organisation du chromosome, le
nucléosome, fait appel aux histones.
L’examen de l’ADN, sous microscopie
électronique et sous certaines conditions
expérimentales, permet de l’observer soit
comme un fil de 30 nm d’épaisseur, soit
sous la forme de perles sur un fil.
Les perles sur un fil constituent le
premier niveau d’empaquetage de l’ADN
chromosomique. Les perles sont les
coeurs de nucléosomes, chacun constitué
d’un octamère de 8 protéines, deux
molécules des histones H2A, H2B, H3 et
H4 autour desquelles s’enroule un double
brin d’ADN sur une distance de 147
paires de nucléotides. L’espacement entre
chaque perle, ou coeur de nucléosome,
peut varier entre quelques paires de bases
et 80 paires de bases. On dit
généralement que l’on retrouve un
nucléosome à toutes les 200 paires de
bases (147 + 53).
Pour le génome
humain qui fait 6.4 X
109
paires de bases
dans chaque cellule
diploïde, ceci
représente 30
millions de
nucléosomes, en
supposant qu’on en
retrouve tout le long
de l’ADN, ou 60
millions de
molécules pour
chaque histone, ceci
dans une seule
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cellule! En fait la masse en histone dans une cellule correspond à peu près à la masse en
ADN.
Les quatre histones qui constituent le noyau (coeur) du nucléosome sont de petites
protéines (102-135 AA) qui sont hyper-conservées chez tous les eucaryotes. D’un point
de vue structural, les 4 histones se ressemblent prenant la forme de 3 hélices alpha
connectées par deux boucles, le repli d’histone. Pour former le nucléosome, les histones
s’assemblent d’abord pour former des dimères H3-H4 et H2A-H2B. Puis, les dimères
H3-H4 s’assemblent pour former un tétramère et lier l’ADN. Deux dimères H2A-H2B
sont ensuite ajoutés pour former le coeur. Les réactions permettant cet assemblage sont
facilitées par des chaperons d’histones dont certaines sont spécifiques pour H3-H4 et
d’autres pour H2A-H2B.
Les histones sont des protéines riches en acides aminés lysine et arginine, ce qui leur
confère une charge nette positive. Cette charge neutralise la charge nette négative sur le
squelette de l’ADN. Il se forme 142 liaisons hydrogène entre l’ADN et les histones dans
chaque nucléosome. En plus de son repli d`histone, chaque molécule d’histone possède
une queue N-terminale qui émerge à l’extérieur du noyau ADN-histone. Cette queue
d’histone est le site de nombreuses modifications moléculaires, jouant des rôles
importants.
Remodelage de la chromatine: Nous savons maintenant que la structure de la
chromatine n’est pas fixe et immuable à l’intérieur de la cellule mais que des complexes
de protéines, les complexes de remodelage de la chromatine, peuvent la modifier, au
moins temporairement. Le remodelage de la chromatine permet à d’autres protéines
cellulaires d’accéder plus facilement à l’ADN du nucléosome. Ces autres protéines
seront, entre autres, celles impliquées dans le contrôle de l’expression des gènes, la
réplication ou la réparation de l’ADN. La cellule possède plusieurs complexes de
remodelage de la chromatine qui auront des rôles spécialisés pour chacun des processus
ci-dessus. Si le rôle des complexes de remodelage est souvent de permettre l’accès à
l’ADN, certains complexes auront pour fonction de reformer les nucléosomes une fois
que l’accès à l’ADN n’est plus nécessaire. Notons que durant la mitose, lorsque l’ADN
doit adopter une forme très compactée, les
complexes de remodelage de la chromatine sont
souvent inactivés.
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La figure suivante, illustre de manière schématisée comment les chaperons d’histones
participent avec les complexes de remodelage de la chromatine, à la modification de la
chromatine. Dans la partie supérieure de la figure, un dimère H2A-H2B est échangé pour
une forme variante de ce dimère (par ex : H2AZ-H2B, voir plus bas). Dans la partie
inférieure de la figure, un octamère d’histone est d’abord enlevé complètement et peut
être ensuite remplacé par une forme variante.
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Formes Variantes des Histones:
En plus des 4 histones principales qui sont hyper-conservées et présentes en énormes
quantités dans la cellule, il existe des variantes de ces histones (sauf pour H4) qui sont
présentes en moindre quantités et relativement moins bien conservées au cours de
l’évolution. Ces variantes d’histones jouent des rôles à des moments particuliers de la vie
de la cellule. Elles sont insérées dans les nucléosomes à la place de l’histone principale
correspondante par les complexes de remodelage de la chromatine de concert avec les
chaperons d’histones (voir la figure de la page précédente). La figure suivante illustre
certaines de ces formes variantes pour H3 et H2A ainsi que leur fonction. Une différence
de couleur dans la figure indique l’endroit où la variante diffère de la forme principale.
Modification des queues d’histones: Les modifications covalentes des queues des
molécules d`histones incluent l'acétylation des lysines, la méthylation des lysines et la
phosphoryaltion des sérines. Ces modifications ont plusieurs conséquences importantes.
En voici quelques exemples :
L’acétylation des lysines, particulièrement les lysines 8 et 16 de l’histone H4, est
associée à une déstabilisation de la chromatine permettant l’expression des gènes. En
étant acétylées, les lysines peuvent attirer des protéines supplémentaires sur un segment
d’ADN donné. Cette acétylation est effectuée par une histone acétyl-transférase (ou
histone acétylase, HAT) de type A.
Une autre HAT, de type B, modifie d’autres résidus lysine sur H3 et H4. Cette
acétylation se produit dans le cytoplasme avant l’incorporation des histones dans le
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nucléosome et permettrait de les positionner dans celui-ci. Cette acétylation est ensuite
éliminée par une enzyme à l’action opposée: l’histone désacétylase (HDAC).
La méthylation de H3 au niveau de la lysine 9 crée une forme particulièrement
compacte de la chromatine qui supprime l’expression des gènes. Notez, qu’une même
lysine peut être méthylée, une, deux, ou trois fois (trois positions possibles sur l’atome
d’azote).
Finalement, notons qu’en plus des groupements simples (acétyl-, méthyl, phosphates-),
les histones peuvent être modifiées par ubiquitination, c’est à dire l’incorporation
d’ubiquitine, une protéine de 76 acides aminés, utilisée dans plusieurs processus
cellulaires. On ne connaît pas bien le rôle de l’ubiquitination des histones.
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Figure : Modification de la queue N-terminale de l’histone H3 et rôle de certaines de ces
modifications.
Donc, la modification covalente des queues d’histones peut transmettre des signaux à
la machinerie cellulaire, lui indiquant par exemple qu’une région du génome vient d’être
répliquée, qu’un gène est accessible à la machinerie transcriptionnelle, ou bien que
l’expression ne doit pas être effectuée.
Finalement, mentionnons que les enzymes modifiant les histones agissent souvent de
concert avec les complexes de remodelage de la chromatine. Par exemple, certaines
modifications des histones attirent un type particulier de complexe de remodelage. De
plus, certains complexes de remodelage contiennent des composantes des enzymes de
modification des histones, ce qui lie directement les deux processus.
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2) Fibre de 30 nm: Lorsque l’on prépare délicatement les noyaux pour l’observation
au microscope électronique, on observe généralement l’ADN sous forme d’une fibre de
30 nm de diamètre. Cette fibre est formée de diverses variations de motifs en zigzag,
quoiqu’une forme solénoïdale ait aussi été proposée. En fait, il faut toujours se rappeler
que la chromatine est une structure fluide et que d’autres liaisons de protéines avec
l’ADN, ou bien la présence de séquences ne favorisant pas le repli de l’ADN sur les
nucléosomes, nous donneront une fibre de 30 nm ponctuée de régions à l’aspect
irrégulier.
La formation de la fibre de 30 nm fait appel à divers mécanismes. Tout d’abord, une
autre histone, l’histone H1 se fixe aux nucléosomes, à la fois avec l’ADN et les protéines,
et modifie la trajectoire de l’ADN à sa sortie du nucléosome. Un deuxième mécanisme
fait appel aux queues d’histones (particulièrement celle de H4) qui peuvent faciliter des
interactions physiques entre les nucléosomes.