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1 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 [email protected] 11 Septembre 2012

(2) Organisation Du Génome 1

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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

[email protected]

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.