Organisation générale du noyau

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1 Organisation générale du noyau L enveloppe nucléaire Le nucléoplasme A. Ait Chaoui

2 Références juin 2009 Biologie cellulaire. Des molécules aux organismes. Jean-Claud Callen. Dunod, 2eme édition. Paris 2005.

3 L enveloppe nucléaire

4 les pores nucléaires complexes multi-protéiques d environ 120MDa qui sont constitués d une trentaine de protéines différentes : nucléoporines associées à d autres protéines

5 huit rayons qui sont pris en sandwich par un anneau cytoplasmique et nucléoplasmique

6 3000 à 4000 par noyau (5 à 15% de la surface de l enveloppe. Il varie selon l état physiologique de la cellule en particulier lors de la croissance cellulaire et des changements d activité métabolique

7 le transport nucléaire poids moléculaire inférieur à 40 kda peuvent diffuser librement à travers le pore nucléaire d un poids moléculaire supérieur à 40 kda le transport s effectue de façon active Les macromolécules (cargo) sont reconnues par différentes protéines réceptrices :exportines et les importines

8

9 Lamina nucléaire composée de lamines, (filaments intermédiaires) ont un rôle : - dans la réplication de l ADN et la transcription. - l organisation de la chromatine. - l arrangement spatial des pores nucléaires résistance mécanique de l enveloppe nucléaire

10 Le nucléoplasme Le nucléole la chromatine le nucléosquelette

11 le nucléole corpuscule sphérique tés dense apparaît au cours de l interphase et disparaît pendant la mitose généralement un nucléole par cellule,

12 Organisation du nucléole - les centres fibrillaires (FC) - un composant fibrillaire dense (DFC) - un composant granulaire (GC),

13 Fonctions du nucléole Biogenèse des ribosomes Contrôle du cycle cellulaire Modulation de l activité de la p53

14 Biogenèse des ribosomes Protéines ribosomales Le rôle du nucléole est de permettre l association des ARNr à des protéines importées du cytoplasme. Dans les sous-unités 60S et 40S on dénombre respectivement 50 et 33 protéines Transport: Exportines

15 Contrôle du cycle cellulaire des protéines contrôlant des étapes essentielles du cycle cellulaire sont piégées dans le nucléole, ce qui les empêche d exercer leur activité

16 Modulation de l activité de la p53 Dans les conditions normales la quantité de protéine p53 dans la cellule est très faible car elle est séquestrée par la protéine Mdm2 lésions des brins de l ADN: activation de la p53 puisque cette dernière n est plus séquestrée par Mdm2 Elle exerce alors son rôle de facteur transcriptionnel en stimulant la transcription de gènes qui codent pour des protéines qui bloquent la progression du cycle cellulaire. maturation anormale des ARNr. Elle induit l'accumulation de p53 ce qui a pour conséquence de bloquer le cycle cellulaire.

17 La chromatine support de l information génétique qui est organisé en une structure complexe constituée d ADN (35%) et de protéines (histones 35% et protéines non histones 10 à 25%). Mise en évidence : utilisation de colorants; qui ont une forte affinité pour l ADN et/ou les protéines. l hématoxyline qui la colore en noir les colorants basiques (basophilie) comme le bleu de méthylène ou le bleu de toluidine. deux mètres d ADN/noyau (Compaction)

18 Malgré ce degré de compaction l ADN subit des changements dynamiques au cours de nombreux processus génétiques. En particulier lors de: - sa réplication (cycle cellulaire) - l expression spatio-temporelle des gènes - la recombinaison et la réparation de l ADN Au cours de ces processus, la chromatine doit être rapidement accessible aux protéines (enzymes) pour réguler ces fonctions.

19 Organisation et structure L unité structurale de la chromatine est le nucléoplasme, il est composé d ADN et d histones. Il représente le premier niveau de compaction de l ADN. La chromatine a une structure hétérogène : C est un enchevêtrement de fibres dont le diamètre varie non seulement au cours du cycle cellulaire mais aussi en fonction des régions chromosomiques observées. Il existe plusieurs niveaux de compaction de la chromatine avec des localisations nucléaires bien précises que l on peut classer en deux grandes catégories: l euchromatine et l hétérochromatine.

20 particules régulièrement espacées composées : - d une partie centrale (cœur) - d une région de liaison (internucléosomale) d environ 140Å, qui relie les parties centrales adjacentes. Ce qui donne une organisation en perles de collier. Nucléosome

21 * partie centrale : composée de 146 paires de bases (pb) d ADN enroulés selon environ 1,7 tour autour d un octamère protéique comprenant les histones H2A, H2B, H3 et H4 en deux exemplaires chacune (octamère d histones). * région de liaison (internucléosomale) : C est au niveau de cette région que des histones s associent à l ADN qui relie deux nucléosomes. Ces histones sont de types variables. Elles ont un rôle dans l espacement des unités nucléosomales et dans la compaction de l ADN en créant une région d interaction entre les nucléosomes adjacents. La longueur de cette région varie selon l espèce et le type cellulaire. En conséquence, la longueur d ADN d un nucléosome peut varier selon l espèce entre 160 et 241pb.

22 modifications épigénétiques des histones Les histones sont des protéines très basiques car très riches en résidus lysine et arginine à leur extrémité N-terminale. Elles sont la cible d enzymes qui sont à l origine de modifications post-traductionnelles. Ces modifications sont définies comme étant épigénétiques et elles affectent leurs charges mais aussi l accessibilité à l ADN ainsi que les interactions protéines/protéines avec le nucléosome. On distingue : - l acétylation (lysine) due à la HAT (Histone Acetyl Transférases). Elle annule la charge positive des histones, diminuant ainsi les forces d attraction avec la charge négative du phosphate de l ADN ce qui conduit à une décondensation de la chromatine («ouverture»). Conséquences : favorise l expression des gènes.

23 - la désacétylation (due à la HDAC :Histone Désacétylases) à l'inverse libère les charges positives et favorise ainsi une interaction étroite avec l ADN, ce qui conduit à la formation d une chromatine condensée («fermeture»). Conséquences : réprime l expression des gènes. - méthylation (lysine et arginine), due à la HMT (Histone Méthyltransfèrases). Conséquences : réprime l expression des gènes. - phosphorylation/ déphosphorylation (sérine et thréonine) due à des kinases/phosphatases. Leur rôle est inconnu.

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25 Etapes de la compaction de la chromatine: 1- Formation du nucléosome : mise en place sur l ADN d un tétramère d histones (H3-H4)2 auquel s adjoint deux dimères H2A- H2B. Le nucléosome ainsi formé est composé de 146 pb d ADN enroulées autour un octamère d histones. 2- Formation du nucléofilament : étape qui permet un espacement régulier des nucléosomes. 3- Incorporation d histones internucléosomales : étape qui permet le repliement du nucléofilament en fibre de 30nm. Puis selon les principes de l empaquetage hélicoïdal de la chromatine (modèle des câbles torsadés) la chromatine forme successivement des fibres de 300 et 700nm. Finalement chaque molécule d ADN a été empaquetée dans un chromosome mitotique fois plus court que la molécule déroulée.

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27 L'ADN L acide désoxyribonucléique (ADN) localisé essentiellement dans le noyau mais aussi présent dans les mitochondries, constituées de sous-unités appelées nucléotides

28 Nucléotide constitué de 3 éléments, un ose (sucre), une base azotée et de l acide phosphorique

29 L ose Deux types d oses sont représentés, le ribose dans l ARN et le 2 - désoxyribose dans l ADN. Ce sont des pentoses car ils sont constitués de cinq atomes de carbone. Les carbones sont numérotés avec des chiffres suivis de l indication prime pour éviter des confusions avec les numérotations des bases.,

30 La base Elle est présente sous deux types : les bases pyrimidiques (l uracile, la cytosine et la thymine) et puriques (l adénine et la guanine).,

31 L acide phosphorique (H3PO4). C est un acide qui possède 3 fonctions acides dont deux sont estérifiées dans l ADN et l ARN (liaisons phosphodiesters). La troisième fonction acide est libre.,

32 Types de liaisons dans un nucléotide La liaison ose-base: Elle se forme par élimination d eau entre la base purique ou pyrimidique et l OH situé en C1 de l ose. L ensemble osebase est appelé nucléoside La liaison acide phosphoriqueose: Elle se forme par élimination d eau entre un OH de l acide phosphorique et l H de la fonction alcool en 5 de l ose. Il s agit d une liaison ester.

33 Nomenclature des nucléosides et nucléotides

34 Caractéristiques de l ADN La molécule d ADN est constituée de deux chaînes (ou brins) de nucléotides les molécules d ARN sont le plus souvent sous forme d une seule chaîne.

35 liaisons entre nucléotides Dans l ADN les nucléotides de chaque chaîne seront assemblés entre eux par une liaison ester. Elle est le résultat de l élimination d une molécule d eau entre un OH de l acide phosphorique d un nucléotide et l H de la fonction alcool située en 3 du désoxyribose d un autre nucléotide. Il en résulte que lorsque deux nucléotides sont assemblés les deux fonctions acide (OH) de l acide phosphorique sont engagées dans des liaisons esters on parle alors de liaison phosphodiester. L une est engagée avec l H de la fonction alcool située en 5 du désoxyribose pour former un nucléotide (ose + base + acide phosphorique) et la seconde est engagée avec l H en 3 du désoxyribose d un autre nucléotide (permettant l assemblage entre nucléotides). Cette caractéristique de liaison s applique aussi à l ARN.

36 sens de lecture d un acide nucléique Par convention un acide nucléique est toujours lu dans le sens de l extrémité 5 (comportant en règle un groupement phosphate) vers l extrémité 3 qui possède un OH libre.

37 Caractéristiques des chaînes de l ADN Anti-parallèles Complémentaires Configuration hélicoïdale

38 Les deux chaînes sont orientées dans des directions opposées. Une chaîne est orienté dans une direction 5 à 3 et l autre qui lui sera parallèle est orienté dans la direction 3 à 5. Anti-parallèles

39 Complémentaires Les deux chaînes sont appariées suivant une règle de complémentarité universelle: A (adénine) appariée avec T (thymine) et C (cytosine) appariée avec G (guanine). Cette complémentarité repose sur des bases stériques (encombrement spatial) et sur la formation de liaisons hydrogène. Il y a trois liaisons hydrogènes entre C et G et deux entre A et T. Les nucléotides étant désignés par leur base qu ils contiennent, on écrit leur assemblage dans un brin de l ADN comme suit: AGCTATCGAGTCA Le second brin, selon la règle de complémentarité, comportera alors l assemblage: TCGATAGCTCAGT

40 Configuration hélicoïdale les deux chaînes présentent une configuration hélicoïdale. Elle s enroulent autour d un axe imaginaire et constituent une double hélice. On décrit 3 formes d ADN. - Forme B: double hélice à rotation droite, c est la forme qui a été décrite par Watson et Crick en 1953 et elle est la plus importante. Ces caractéristiques peuvent se résumer ainsi: - Environ 10 paires de bases par tour d hélice et le pas de l hélice est de 3,4nm et son diamètre est de 2,4nm. Dans une cellule l hélice est un peu plus compacte (10,5 paires de base par tour de spire). - Les bases sont à l intérieur de l hélice alors que les désoxyriboses et les groupements phosphates sont à l extérieur. - Les plans des bases sont perpendiculaires à l axe de l hélice. Les plans des désoxyriboses sont presque perpendiculaires à ceux des bases. - Présence de deux types de sillons: sillon majeur (1,2nm de large) et sillon mineur (0,6nm).

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