Le Noyau Eucaryote : Structure et Fonctions

Le noyau en intercinèse : Introduction

Présent dans toutes nos cellules (sauf hématies et kératinocytes de la couche superficielle de la peau), en un ou plusieurs exemplaires (cellules musculaires, champignons), plus ou moins sphérique et position centrale.

La première description du noyau a été réalisée par Robert Brown, botaniste écossais, en 1831.

9.1. L'enveloppe nucléaire

a. Structure et rôles

Le noyau est délimité par une enveloppe nucléaire, composée de deux membranes de phosphoglycérolipides, séparées par un espace périnucléaire. La membrane externe est en continuité avec le Réticulum Endoplasmique Granuleux (REG).

Les échanges entre le nucléoplasme (contenu du noyau) et le cytoplasme se font via des zones d'interruption appelées pores nucléaires.

b. Matrice nucléaire ou nucléosquelette

La matrice nucléaire est un réseau de filaments intermédiaires qui joue plusieurs rôles :

• Attache des réplisomes (complexes de réplication de l'ADN) et des splicéosomes (complexes d'épissage de l'ARN).

• Attache de la chromatine à la lame nucléaire, formée de lamine.

• Support pour des protéines impliquées dans la réplication, la transcription et les transferts d'ARNs vers le cytoplasme.

c. Pore nucléaire

Le pore nucléaire est une structure circulaire composée de nucléoprotéines organisées en 8 sous-unités formant un anneau.

Son rôle principal est le contrôle des transits nucléocytoplasmiques :

• Diffusion libre de petites molécules et d'ions.

• Transfert contrôlé de protéines via des importines et d'ARNs via des exportines (les importines et exportines sont des protéines de transport).

Le passage des protéines du cytoplasme vers le noyau est facilité par les importines et le RanGTP. L'export de protéines (comme STAT1) et d'ARNs du noyau vers le cytoplasme est facilité par les exportines et le RanGTP.

La densité du trafic à travers les pores nucléaires est très élevée. Par exemple, une cellule avec 10⁶ ribosomes et se divisant toutes les 24 heures doit importer environ 560 000 protéines ribosomiales par minute et exporter 14 000 sous-unités ribosomiales par minute. Avec environ 4000 pores nucléaires par cellule, cela représente environ 140 protéines et 4 sous-unités par pore par minute.

9.2. La chromatine

La chromatine (décrite par Feulgen en 1879) est un réseau de longues fibres d'ADN où des protéines régulatrices peuvent se fixer. Elle a une affinité pour les colorants basiques.

En intercinèse (ou interphase), période entre deux divisions cellulaires où se déroulent les synthèses nucléaires (réplication de l'ADN, transcription de l'ADN en ARNs, croissance), les chromosomes ne sont pas individuellement distinguables. Ils apparaissent enchevêtrés sous forme d'une masse colorée hétérogène appelée chromatine.

On distingue deux types de chromatine :

• L'euchromatine : décondensée (déspiralée), peu colorable (gris clair). C'est la chromatine active et fonctionnelle, dont l'ADN est susceptible d'être transcrit et traduit en protéines.

• L'hétérochromatine : condensée, très colorable. C'est une chromatine compacte, "non fonctionnelle" :

  • Hétérochromatine constitutive : située au niveau des centromères et télomères. Elle n'est pas exprimée, est formée de séquences répétitives et n'est jamais transcrite.

  • Hétérochromatine facultative ou alternative : contient des gènes silencés ou réprimés. Elle est présente dans les cellules au stade final de différenciation cellulaire et peut être active dans certains types cellulaires.

9.3. Les chromosomes

En période de division cellulaire, la chromatine se condense pour former les chromosomes. Ce sont des unités compactes d'ADN associées à des protéines (histones ou autres) et à des enzymes régulatrices de la transcription et de la traduction.

Nomenclature des chromosomes :

• 2 bras : appelés chromatides.

• Centromère : zone de réunion des chromatides, formée d'ADN répétitif. C'est le site de séparation des chromosomes lors de la division cellulaire.

• Kinétochores : complexes de protéines fixés au centromère, servant de site de fixation aux microtubules kinétochoriens.

• Télomères : extrémités des chromosomes, protégeant contre les enzymes et le raccourcissement, et permettant l'attache au cytosquelette.

Nombre de chromosomes :

• Chez les Procaryotes, le chromosome est unique, circulaire et non délimité par une enveloppe nucléaire.

• Chez les Eucaryotes (animaux et humains) :

  • Les cellules somatiques (toutes les cellules de l'organisme sauf les cellules reproductrices) et germinales possèdent 46 chromosomes (23 paires, cellules diploïdes).

    • 22 paires de chromosomes non sexuels (autosomes) : chromosomes 1 à 22.

    • 1 paire de chromosomes sexuels (hétérochromosomes ou gonosomes) : XX ou XY, responsables du sexe génétique.

  • Les cellules reproductrices (gamètes : ovotides/ovocytes II, spermatozoïdes) en possèdent 23 (cellules haploïdes) : 22 autosomes et 1 hétérochromosome (X ou Y).

NB : La plupart des Eucaryotes ont 10 à 50 chromosomes dans leurs cellules somatiques, avec des exceptions comme les fougères qui peuvent en avoir plus de 500 paires.

Détermination génétique du sexe :

Le sexe génétique est déterminé par les chromosomes sexuels (paire 23) :

• Un ovocyte II contient toujours un chromosome X.

• Un spermatozoïde peut contenir un chromosome X ou un chromosome Y.

• Lors de la fécondation :

  • Si le spermatozoïde apporte un X, le zygote sera XX (sexe féminin).

  • Si le spermatozoïde apporte un Y, le zygote sera XY (sexe masculin).

Les Caryotypes :

A. Définition :

Un caryotype est la carte d'identité des chromosomes d'un individu.

Ses objectifs sont :

• L'identification du sexe génétique, du nombre et de la forme des chromosomes.

• L'identification d'éventuelles anomalies chromosomiques, pouvant être à l'origine de maladies.

B. Différents types de chromosomes métaphasiques :

• Centromère métacentrique ou médiocentrique : les deux bras sont d'égale longueur.

• Centromère acrocentrique : les bras sont de longueur très inégale (ou submétacentrique si la longueur est inégale mais peu différente).

• Centromère télocentrique : le centromère est complètement décalé vers une extrémité.

C. Principe d'un caryotype :

1. Des cellules sont prélevées dans les tissus de l'organisme (ou liquide amniotique/villosités choriales/cordon ombilical pour un fœtus).

2. Elles sont mises en culture et bloquées en métaphase par la colchicine (ce qui empêche la formation du fuseau mitotique et permet de bien différencier les chromosomes).

3. Les cellules sont éclatées par un choc osmotique.

4. Les chromosomes sont fixés, colorés et observés au microscope sur lame. Des programmes informatiques sont utilisés pour les classer.

D. Moyens invasifs pour étudier le caryotype fœtal :

• Amniocentèse : prélèvement de cellules fœtales dans le liquide amniotique.

• Prélèvement du sang du cordon ombilical : prélèvement de cellules du sang fœtal.

• Prélèvement de cellules de villosités choriales.

Ces prélèvements sont réalisés sous contrôle échographique (au 4ème mois de grossesse pour l'amniocentèse) via une aiguille hypodermique. Les cellules récoltées sont ensuite mises en culture pour l'étude du caryotype.

Ces techniques permettent :

• Le dépistage d'anomalies de nombre ou de forme chromosomiques et la détermination du sexe génétique du fœtus.

• Le dépistage précoce de maladies génétiques (ex: mucoviscidose), d'anomalies morphologiques fœtales (ex: anomalies de la fermeture de la paroi abdominale, du tube digestif et neural), et de maladies infectieuses transmises de la mère à l'enfant (ex: toxoplasmose, cytomégalovirus, rubéole).

F. Résultats/analyse :

Un caryotype normal d'un individu sain (cellules somatiques) présente 46 chromosomes. Un spermatozoïde ou un ovocyte II contient 23 chromosomes.

Un caryotype d'un individu atteint de trisomie 21 (syndrome de Down) montre la présence d'un chromosome 21 supplémentaire, soit 47 chromosomes au total.

9.4. Le nucléosome et autres niveaux d'organisation

L'ADN présente différents niveaux d'organisation et de condensation :

1. ADN double brin : structure secondaire.

2. Brin de chromatine : ADN + histones + autres protéines = nucléosomes, formant une super hélice (structure tertiaire).

3. Chromatine (Interphase) ou fibre chromatinienne de 30nm : 6 nucléosomes par tour = super super hélice = solénoïde.

4. Chromatine condensée.

5. Chromosomes.

Grâce à ce phénomène de compaction, l'ADN est environ 50 000 fois plus court que la molécule déroulée (les 46 chromosomes humains représentent environ 1 à 2,5 mètres d'ADN total).

Le niveau nucléosome :

Le nucléosome est le premier degré de compaction de l'ADN, donnant à la chromatine une forme en collier de perles avec des espaces (décrit par R. Kornberg et al.).

Un nucléosome est composé de :

• 1 tour et 1/2 à 3/4 de spires d'ADN (phosphates chargés négativement) en double hélice.

• Un noyau de 8 protéines (octamère) : HISTONES H2A, H2B, H3, H4, présentes en deux exemplaires. Ces histones sont des protéines basiques (riches en arginine et lysine) chargées positivement. Elles sont formées dans le cytoplasme puis s'associent à l'ADN dans le noyau. H2A et H2B forment un petit quartier, positionnées latéralement avec des liaisons plus souples, ce qui les rend dissociables de l'ADN de manière transitoire sous forme de dimère lors de la réplication ou de la transcription.

• Une histone H1 à l'extérieur du noyau de protéines.

Niveau Solénoïde ou en super super hélice :

Les nucléosomes s'enroulent sur eux-mêmes pour former la structure du solénoïde.

9.5. Le génome d'une cellule eucaryote

Le génome humain contient environ 4 x 10⁹ paires de bases (pb). On estime qu'il code pour environ 300 000 protéines identifiées.

Cependant, seulement 1% de l'ADN code pour ces protéines. La plupart des gènes existent en une seule copie ou quelques copies, mais d'autres gènes (comme ceux des ARNr ou des histones) sont présents en 100 à 5000 copies. Environ 55% de l'ADN est répétitif, dont 10% sous forme d'ADN satellite (au niveau des centromères).

9.6. Les ARNs

Il existe différents types d'ARNs chez les Eucaryotes, chacun ayant des rôles spécifiques :

• ARN précurseurs des ARN :

  • ARN transcrit primaire ou pré-messager ou hn ARNm (ARNm natifs nucléaires hétérogènes) : précurseur de l'ARNm, plus long que l'ARNm final. Il est synthétisé dans le noyau.

• Petits ARN nucléaires (ARNpn ou ARNsn) : rôle structural et enzymatique dans les particules (RNPpn ou RNPsn) servant à l'épissage de l'ARN pré-messager pour former l'ARNm. Ils sont formés dans le noyau, modifiés dans le cytoplasme, puis retournent dans le noyau.

• ARN ribosomiaux (ARNr) : rôle structural et enzymatique dans les ribosomes. Ils sont formés à partir de l'ADN du nucléole.

• ARN de transfert (ARNt) : transportent les acides aminés vers le ribosome lors de la lecture de l'ARNm pour former une protéine (traduction). Ils sont synthétisés dans le noyau puis migrent vers le cytoplasme.

• ARN messagers (ARNm) : portent le message génétique de l'ADN qui sera converti en protéine. Ils migrent du noyau vers le cytoplasme ou vers la face cytoplasmique du REG.

9.7. La synthèse des protéines

9.7.1. Introduction

Le "dogme central" de la biologie moléculaire décrit le mécanisme fondamental de la vie pour toutes les cellules : l'information génétique circule de l'ADN vers l'ARN, puis vers les protéines.

Particularités de la synthèse des protéines chez les Eucaryotes :

1. Compartimentalisation : L'ADN est dans le noyau, tandis que les protéines sont synthétisées dans le cytoplasme ou libérées dans la lumière du REG.

2. Formation d'ARNpm (transcrit primaire).

3. Étape supplémentaire de maturation : Ajout de coiffe et queue, et épissage pour former l'ARNm mature qui sortira du noyau.

9.7.2. La transcription : rappel et particularités des Eucaryotes

La transcription est le processus de conversion de l'ADN en ARN prémessager (ou transcrit primaire) dans le noyau. Cet ARN est formé de segments codants (exons) interrompus par des segments non codants (introns).

1. INITIATION : Formation d'un complexe d'initiation.

   • Fixation de facteurs de transcription (FT) ou transrégulateurs sur le promoteur central (comprenant la boîte TATA et le site d'initiation).

   • Fixation d'une ARN polymérase sur le brin d'ADN matrice (brin anti-sens) grâce aux FT.

   • Désenroulement progressif et séparation des deux brins d'ADN.

2. ELONGATION :

   • Dissociation des facteurs de transcription.

   • Déplacement de l'ARN polymérase dans le sens 3'-5' de l'ADN.

   • Assemblage de ribonucléotides selon les règles de complémentarité (U en face de A, A en face de T, C en face de G, G en face de C), formant une structure hybride ADN-ARN transitoire.

3. TERMINAISON :

   • La double hélice d'ADN reprend sa forme.

   • Séparation de l'ARN polymérase au niveau d'un site de terminaison de l'ADN (triplet ATT, ATC ou ACT).

   • L'ARN transcrit primaire 5'-3' est libéré dans le noyau.

Les différents types d'ARN polymérase chez les Eucaryotes :

• ARN polymérase I : dans le nucléole, transcrit l'ADN nucléolaire en ARN précurseur pour ARNr.

• ARN polymérase II : dans le noyau, transcrit l'ADN nucléaire en ARN précurseur pour ARNm (ARNpm) et quelques ARNsn.

• ARN polymérase III : dans le noyau, transcrit l'ADN nucléaire en ARN précurseur pour ARNt et autres petits ARNsn ou pn.

9.7.3. La maturation

La maturation de l'ARN pré-messager en ARNm se déroule dans le noyau et comprend plusieurs étapes :

1. Ajout de séquences non codantes aux extrémités du hn ARNm :

   • Ajout d'une queue poly-A (3') de 150-200 nucléotides poly-adénosine, grâce à l'enzyme poly-A polymérase (polyadénylation). Ce processus est cotranscriptionnel.

   • Ajout d'une coiffe (CAP) : un nucléotide 7 méthyl guanosine-P (5') est ajouté à l'extrémité 5' par une liaison 5'-5'. Cela stoppe la transcription.

   Ces éléments sont essentiels pour le déplacement de l'ARNm du noyau vers le cytoplasme et pour sa stabilité (protection contre les ARNs nucléosidases).

2. Élimination des introns par le processus d'épissage :

   • Les introns sont des régions non codantes de l'ARN pré-messager, délimitées par des paires de bases spécifiques (GU et AG) et la présence d'une boîte de branchement (A).

   • Le processus d'épissage implique la formation d'un "lasso" entre G 5' et A, suivi de la liaison entre les exons adjacents et la libération de l'intron, qui est ensuite détruit par les ribonucléases.

3. Notion de spliceosome :

   Le spliceosome est un complexe de protéines et de SNuRPs (Small Nuclear Ribonucleoproteins) ou RNPpn/RNPsn, composé d'environ 45 protéines/enzymes et de 5 segments d'ARNsn (U1, U2, U4, U5, U6).

   Rôles des ARNsn :

   • U1 se fixe sur l'extrémité 5' de l'intron.

   • U2 se fixe sur la "boîte de branchement".

   • U4/U6 s'associe à U1/U2, formant un pont (lasso, boucle) avec l'intron.

   • U5 s'ajoute et rapproche les extrémités des exons.

   • L'épissage de l'intron est réalisé par une enzyme de débranchement, libérant l'ARNm épissé et l'intron détruit.

4. Processus particulier d'autoépissage :

   Certaines séquences d'ARN (introns) ont une fonction enzymatique et s'excisent elles-mêmes (catalyse intramoléculaire) sans intervention d'enzyme externe. Ces ARN catalytiques sont appelés ribozymes.

5. Épissage alternatif :

   Environ 30 000 gènes codent pour environ 300 000 protéines. L'épissage alternatif permet à un gène de coder plusieurs ARNm différents (par élimination de certains introns et assemblage variable d'exons), et donc plusieurs protéines différentes à partir d'une seule séquence d'ADN.

6. Déplacement de l'ARN messager :

   L'ARNm migre du noyau vers le cytoplasme à travers les pores nucléaires, fixé à des protéines appelées exportines. Ce complexe ARNm+exportines est nommé mRNP (messager RiboNucleoParticule).

9.7.4. La traduction chez les Eucaryotes : rappel et particularités

La traduction est le processus de conversion de l'ARNm en protéines, qui se déroule dans le cytoplasme ou à la surface du REG, en présence de ribosomes et d'ARNt.

Particularités de la traduction chez les Eucaryotes :

1. Formation d'un complexe d'initiation de la traduction plus complexe, impliquant de multiples facteurs protéiques de traduction.

2. L'acide aminé d'initiation est la méthionine.

3. L'ARNm est monocistronique : chaque gène eucaryote est transcrit sur un ARNm et code pour une seule protéine (un seul promoteur/gène).

4. La protéine est libérée dans le cytosol ou dans le REG.

5. La transcription et la traduction sont séparées dans l'espace (noyau et cytoplasme) et dans le temps.

6. Environ 50% des gènes dans une cellule humaine sont exprimés simultanément.

Structure schématique d'un gène Eucaryote :

• Séquences régulatrices : en amont du promoteur (enhancer, silencer).

• Séquences promotrices (promoteur).

• L'unité de transcription : séquence d'ADN transcrite en ARN (entre promoteur et site de terminaison). Elle contient :

  • Exons et introns : les exons sont traduits, la zone est délimitée par un codon initiateur et un codon stop.

  • UTR (Untranslated regions) : régions non traduites (coiffe 5' et queue 3').

9.8. Les nucléoles et formation des ribosomes

Les nucléoles sont des corps denses, sphériques, non délimités par une membrane, situés dans le noyau. Ils sont formés à partir d'extrémités de chromosomes et sont composés d'ADN (5%), ARN (10%) et protéines (85%).

Le nucléole est le site de la transcription de l'ADN en ARN pré-ribosomiaux, de leur maturation en ARN ribosomiaux (ARNr), et de la formation des sous-unités de ribosomes.

1. En interphase, le nucléole est reconstitué grâce aux gènes codant pour des ARNr (ARN ribosomiaux/ribosomiques) au niveau des télomères (organisateurs nucléolaires). Dans le nucléole, l'ADN est transcrit en pré-ARNr (via snoRNP).

2. Dans le noyau, l'ADN est transcrit en ARNpm, puis maturé en ARNm.

3. L'ARNm migre vers le cytoplasme, s'associe aux ribosomes et aux ARNt pour la traduction en protéines ribosomiales/ribosomiques.

4. Les protéines ribosomiales retournent au nucléole et s'associent aux ARNr pour former un PRE-RIBOSOME (ou sous-unités).

5. Le pré-ribosome sort du nucléole vers le cytoplasme et s'assemble en RIBOSOME définitif autour de l'ARNm.

Les sous-unités de ribosomes : composition et rôles

• Petite sous-unité de ribosome (30S) : Contient de l'ARNr (16 ou 18S) impliqué dans le contrôle de la "fidélité" de la traduction (lecture de l'ARNm, position correcte du codon et de l'anticodon dans le site A).

• Grande sous-unité de ribosome (50S) : Contient de l'ARNr (23 ou 28S) qui est un RIBOZYME. Il catalyse la formation des liaisons peptidiques (par la peptidyl-transférase) pour la synthèse de la protéine.

9.9. La réplication chez les Eucaryotes : rappel et particularités

9.9.1. Introduction

Particularités de la réplication de l'ADN chez les Eucaryotes :

1. Plus grande quantité d'ADN : chromosomes multiples, plus longs, linéaires, empaquetés, mais avec de multiples origines de réplication.

2. Enzymologie : le complexe de réplication (réplisome) est plus complexe.

3. Extrémités linéaires des chromosomes : les télomères sont des séquences d'ADN spécifiques qui protègent les extrémités des chromosomes contre les nucléases. Ils ne sont pas synthétisés par le complexe de réplication et ne sont pas traduits.

4. La réplication se déroule dans le noyau.

Chez les Eucaryotes, la réplication de l'ADN commence à de nombreux sites le long de la molécule d'ADN, formant des "yeux de réplication". La réplication progresse dans les deux sens, et les yeux de réplication fusionnent pour achever la synthèse des nouveaux brins.

• Multiples origines de réplication.

• Réplication bidirectionnelle.

9.9.2. Le réplisome chez les Eucaryotes

Le réplisome est le complexe enzymatique responsable de la réplication de l'ADN :

1. Topoisomérase : déspiralisation de l'ADN.

2. ADN Hélicase (ou protéine dna B) : ouverture des deux brins par rupture des liaisons hydrogènes entre les bases complémentaires.

3. Protéines RPA : fixation et stabilisation des brins monocaténaires.

4. ADN Polymérase α / ARN polymérase : synthèse d'une amorce finale, d'abord formée d'ARN, puis complétée par une petite séquence d'ADN.

5. Complexe ADN Polymérase ε (Pol ε) et ADN polymérase δ (Pol δ) : Réplication de l'ADN.

6. ADN polymérase β :

   • Activité exonucléasique 5'-3' : destruction des amorces d'ARN.

   • Réparation en ajoutant des désoxyribonucléotides complémentaires du côté 3'.

7. ADN Ligase : liaison entre les segments réparés (création de liaisons phosphodiesters entre les désoxyribonucléotides sur les deux brins).

8. Gyrase (Topoisomérase) : re-spiralisation des nouveaux doubles brins.