Noyau Biocell 

I. Introduction au Noyau Cellulaire

Le noyau est un organite essentiel des cellules eucaryotes, contenant l'information génétique. Il est absent chez les cellules procaryotes et les globules rouges matures.

• Le noyau est délimité par une enveloppe nucléaire double, percée de pores nucléaires.

• Il est visible en microscopie électronique sous forme ovoïde, avec des mottes chromatiniennes.

II. Le Noyau au Microscope

A. Microscopie Optique

• Permet d'observer une masse ovoïde centrale avec des mottes chromatiniennes.

• Quelques organites peuvent être discernés.

B. Microscopie Électronique

• Révèle des mottes gris foncé (chromatine condensée) et claires (chromatine dispersée).

• L'enveloppe nucléaire est clairement visible, composée de deux membranes.

• L'espace périnucléaire sépare les deux membranes.

• Les pores nucléaires apparaissent comme des interruptions de l'enveloppe.

• La membrane externe est en continuité avec le Réticulum Endoplasmique Rugueux (REG) et porte des ribosomes.

• À l'intérieur, on distingue l'hétérochromatine (foncée, condensée, en périphérie) et l'euchromatine (claire, dispersée, au centre).

III. L'Enveloppe Nucléaire

A. Structure

• Composée de deux membranes parallèles délimitant l'espace périnucléaire.

• Ces membranes sont soudées au niveau des pores nucléaires.

• Chaque membrane est une bicouche phospholipidique, donc l'enveloppe nucléaire possède 4 feuillets phospholipidiques.

B. Membrane Externe

• Prolonge le REG.

• Est parsemée de ribosomes liés.

• Le contenu de l'espace périnucléaire est similaire à celui du REG.

C. Membrane Interne

• Se soude à la lamina nucléaire (squelette du noyau, ne pas confondre avec la laminine).

• La lamina nucléaire est une matrice protéique appartenant à la classe des filaments intermédiaires du cytosquelette.

D. Fonctions de l'Enveloppe Nucléaire

• Barrière à perméabilité sélective entre les compartiments nucléaire et cytoplasmique (échanges nucléoplasmiques).

• Impliquée dans l'organisation du contenu nucléaire.

• Maintien de la forme du noyau grâce à la lamina nucléaire.

• Rôle dans la réplication de l'ADN.

• Transport des ARN.

L'ADN ne sort jamais du noyau.

IV. La Lamina Nucléaire

A. Observation et Fonctions

• Apparaît comme un grillage en microscopie électronique.

• Support structural de l'enveloppe nucléaire.

• Sert à la fixation des fibres de chromatine (hétérochromatine) à la périphérie du noyau.

• Située sur la face interne de la membrane nucléaire interne.

B. Protéines de la Lamina

• Composée de polypeptides de lamines (4 types).

• Appartiennent aux filaments intermédiaires du cytosquelette.

C. Assemblage des Fibres de Lamine

1. Un peptide s'enroule et s'associe avec un second pour former un dimère.

2. Les dimères s'alignent pour former un polymère (fibre longue).

3. Les polymères s'associent pour constituer un filament de la lamina nucléaire.

4. Les filaments s'assemblent pour former le grillage.

D. La Progéria (Syndrome de Hutchinson-Gilford)

Maladie génétique rarissime due à une mutation ponctuelle du gène LMNA.

• La mutation entraîne la production d'un ARN messager aberrant et d'une protéine de lamine A plus courte, appelée "progérine".

• La progérine ne peut migrer dans le noyau et reste attachée à la membrane nucléaire, entraînant sa déformation.

• Ceci provoque une désorganisation du noyau, une dérégulation du cycle cellulaire et un vieillissement accéléré.

Symptômes (pour information)

• Vieillissement prématuré (espérance de vie moyenne de 15 ans).

• Morphologie faciale caractéristique, alopécie.

• Maladies de "personnes âgées" (athérosclérose, troubles musculaires squelettiques).

• Le développement mental n'est pas affecté.

V. Le Pore Nucléaire

A. Complexe du Pore Nucléaire (CPN)

• Constitué de protéines intrinsèques tapissant les pores nucléaires.

• Une structure en forme de cage est présente côté nucléaire, en contact avec la lamina.

B. Structure du Pore Nucléaire

• Possède un transporteur central (canal central) et deux anneaux nucléaires ("roue de chariot").

• Des protéines d'ancrage sont présentes des deux côtés.

C. Passage des Molécules à Travers les Pores

• Le canal central effectue les transports actifs (grosses molécules, consomme de l'énergie, contre le gradient de concentration).

• Les canaux latéraux effectuent les transports passifs (petites molécules, ne consomme pas d'énergie, dans le sens du gradient).

• Import nucléaire : du cytoplasme vers le noyau.

• Export nucléaire : du noyau vers le cytoplasme.

Exemples de Molécules Transportées

• Importées (transport actif) : protéines de la lamina nucléaire, protéines régulatrices, ADN et ARN polymérases, histones.

• Exportées (transport actif) : ARNm, ARN de transfert, protéines régulatrices.

• Les petites molécules (diffusion) passent par les canaux latéraux.

Le passage des molécules est très régulé.

Rappel (Biochimie)

• Transcription : ADN en ARNm.

• Traduction : ARNm en protéine.

• Certaines protéines peuvent entrer dans le noyau, mais pas toutes.

VI. Transport Actif Nucléaire

A. Import Nucléaire

1. Nécessité d'une Séquence Spécifique

• Le Signal de Localisation Nucléaire (SLN ou NLS) est une séquence peptidique présente dans la protéine.

• Une mutation du NLS empêche la protéine d'entrer dans le noyau.

2. Régulation de la Translocation

• Le NLS est reconnu par l'importine (complexe alpha et bêta).

• L'importine se lie à la protéine et au NLS, puis traverse le pore nucléaire.

• La dissociation du complexe dans le noyau consomme de l'énergie (RAN-GDP en RAN-GTP).

• L'accessibilité du NLS à l'importine dépend de l'état de phosphorylation (déphosphorylation favorise l'interaction).

3. Dynamique de l'Importation

1. Reconnaissance du NLS par l'importine alpha.

2. Association de l'importine bêta à l'alpha.

3. Formation d'un complexe protéine-importine lié à RAN-GDP.

4. Import du complexe dans le noyau.

5. Conversion de RAN-GDP en RAN-GTP, entraînant la dissociation du complexe.

6. Recyclage de l'importine.

4. Rôle de RAN-GDP et RAN-GTP

B. Export Nucléaire

1. Nécessité d'un Signal d'Exportation Nucléaire (NES)

• Les protéines destinées à l'exportation possèdent un NES.

• Le NES est reconnu par une exportine.

• Certaines protéines ont à la fois un NLS et un NES (ex: importine alpha).

2. Dynamique de l'Exportation

1. Reconnaissance du NES par l'exportine.

2. Liaison de RAN-GTP au complexe protéine-exportine.

3. Export du complexe vers le cytoplasme.

4. Dans le cytoplasme, RAN-GTP est converti en RAN-GDP, entraînant la dissociation du complexe.

C. Le Facteur NF-κB

• Facteur de transcription qui régule la synthèse des protéines (active ou éteint des gènes).

• Reconnaît des séquences spécifiques sur les promoteurs des gènes.

• Initialement dans le cytoplasme, il est inhibé par I-κB.

• Lorsqu'un signal active NF-κB, I-κB se dissocie, exposant le NLS de NF-κB.

• L'importine reconnaît le NLS et transporte NF-κB dans le noyau pour qu'il devienne actif.

• Composé de deux sous-unités : p50 et p65.

VII. Exportation de l'ARN Messager

L'ADN ne sort pas du noyau, mais l'ARNm doit être exporté vers le cytoplasme pour la traduction.

• Transport actif à travers le pore nucléaire.

• L'ARNm est associé à des protéines qui facilitent sa reconnaissance et son passage.

• L'ARNm peut se diriger vers des ribosomes liés au REG (protéines sécrétées ou membranaires) ou vers des ribosomes libres (protéines cytosoliques ou nucléaires).

A. Rappel sur la Transcription et la Maturation de l'ARNm

• Les gènes contiennent des introns (non informatifs) et des exons (codants).

• L'ARN primaire est immature et contient des introns.

• L'épissage, réalisé par le splicéosome, élimine les introns et ne conserve que les exons.

• Le splicéosome est constitué de RNPsn (petites ribonucléoprotéines nucléaires), elles-mêmes composées d'ARNsn.

• L'ARNm mature subit également l'ajout d'une coiffe de méthylguanidine en 5' et d'une queue poly-A en 3'.

B. RNPhn (Ribonucléoprotéines Hétérogènes Nucléaires)

• Le pré-ARNm s'associe à des protéines dès sa synthèse, formant des particules RNPhn.

• Fonctions des protéines RNPhn :

  • Rendent le pré-ARNm disponible pour interagir avec d'autres ARN ou protéines.

  • Certaines interagissent avec des séquences d'ARN pour l'épissage ou la polyadénylation.

  • Contribuent à la structure reconnue par les facteurs de maturation de l'ARN.

  • Certaines restent dans le noyau, d'autres entrent et sortent du cytoplasme avec l'ARNm.

C. Signal de Reconnaissance pour l'Exportation de l'ARNm Mature

• Un ensemble spécialisé de protéines se lie à l'ARNm mature :

  • Protéine se liant à la coiffe.

  • Protéine de liaison à la queue poly-A.

  • Complexes de jonction des exons (reconnaissent un épissage correct).

  • Molécule "récepteur de transport nucléaire".

• Après maturation, l'ARNm reste associé à certaines protéines RNPhn, formant un complexe RNPm.

• Certaines protéines RNPhn comportent un NES.

• Dans le cytoplasme, l'ARNm se débarrasse de ces protéines et en recrute de nouvelles.

• La demi-vie de l'ARNm affecte la quantité de protéines produites.

• L'ARNm est finalement dégradé par des ARNases cellulaires.

VIII. Le Matériel Génétique

A. Dynamique de l'Enveloppe Nucléaire et de la Chromatide pendant la Division Cellulaire

• À l'interphase, la chromatine est dispersée dans le noyau.

• Pendant la mitose, l'ADN reste associé à des fragments de lamine.

• L'enveloppe nucléaire se disperse en prophase et métaphase.

• Les protéines membranaires de l'enveloppe nucléaire sont dispersées dans le RE (et non dans des vésicules).

• Des plis et invaginations se forment le long de l'enveloppe nucléaire, la lamina se déchire.

• Les membranes se reforment autour des chromosomes filles en télophase, avec réintégration des protéines des pores.

• Les protéines de la membrane interne et la lamine déphosphorylée s'attachent à la chromatine.

• Les pores réimportent les protéines nucléaires.

B. Euchromatine et Hétérochromatine

IX. Le Nucléole

Le nucléole n'est pas un organite car il n'est pas entouré par une membrane. C'est un agrégat de macromolécules situé au centre du noyau.

• Rôle essentiel dans la synthèse des ARNr et l'élaboration des ribosomes.

• L'ARN pré-ribosomique 45S subit une maturation pour produire les ARNr 28S, 18S, 5,8S.

Conclusion

• Le noyau est délimité par une double membrane :

  • Membrane externe avec ribosomes, en contact avec le REG.

  • Membrane interne en contact avec la lamina et l'hétérochromatine.

• Les pores nucléaires constituent un système de transport régulé par importine/exportine et RAN-GDP/RAN-GTP.

• La lamina nucléaire est le squelette du noyau.

• Deux types de chromatine : hétérochromatine (condensée, inactive) et euchromatine (décondensée, active).

• Le nucléole est le lieu de transcription des ARNr et d'assemblage des ribosomes.

• Le transport nucléaire :

  • Canal central : transport actif (ex: ARN), consomme de l'énergie.

  • Canaux latéraux : transport passif (petites molécules).

  • Import : via importine, RAN-GDP, NLS.

  • Export : via exportine, RAN-GTP, NES.

• Le noyau est de forme ovoïde.