La chromatine chromatine histones nucléosome

Transcription

1 La chromatine La taille des génomes eucaryotes est beaucoup plus grande que celle des génomes procaryotes (environ à gènes). Des protéines se lient à l ADN pour le condenser en chromatine, de structure très bien organisée. Le premier niveau d organisation (fibre de 10 nm) est assuré par des protéines appelées histones. Ces protéines contiennent une forte proportion d acides aminés chargés positivement, qui peuvent se lier solidement à l ADN qui est chargé négativement. Ces histones forment un octamère (2 H2A, 2 H2B, 2 H3 et 2 H4) autour duquel l ADN s enroule deux fois pour former un nucléosome. L extrémité amino-terminale de chaque histone (la queue) pointe vers l extérieur du nucléosome. Une histone H1 termine l assemblage et engage le niveau suivant de condensation. Grâce à l histone H1, les nucléosomes et l ADN internucléosomique se rapprochent pour former des fibres de 30 nm. Celles-ci forment à leur tour des boucles, les domaines en boucles, qui sont associés à la charpente du chromosome. D autres protéines que les histones sont impliquées à ce niveau. Finalement, au cours de la prophase, ces domaines en bouclent s enroulent pour former les chromosomes condensés, observables pendant la mitose. Au cours de l interphase, la chromatine est moins condensée (= euchromatine) sauf au niveau des centromères et des télomères (= hétérochromatine, très condensée et non transcrite). 1

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3 La régulation de l expression génique On estime qu une cellule n exprime environ 20 % de ces gènes à un moment donné. De plus, au cours du développement, les cellules se différencient pour donner un des 200 types cellulaires qu on retrouve chez l homme = différenciation cellulaire (ex en neurone ou en cellule musculaire). La régulation de l expression des gènes est très complexe et peut s exercer aux différentes étapes conduisant à la synthèse d une protéine. La transcription est une étape-clé dans cette régulation. 3

4 La régulation de l expression des gènes : régulation de la structure de la chromatine La structure de la chromatine permet de condenser l ADN mais elle permet aussi de réguler l accessibilité de l ADN pour la transcription : les gènes situés dans l hétérochromatine ne sont pas transcrits. En plus, des modifications chimiques des histones régulent aussi la transcription : les queues des histones peuvent être acétylées par des enzymes spécifiques, sur des acides aminés lysines. Lorsque les histones sont acétylées, elles perdent leurs charges positives et interagissent moins avec l ADN et les nucléosomes voisins --> la chromatine a une structure plus lâche et l ADN est plus accessible aux facteurs de transcription. 4

5 La régulation de l expression des gènes : régulation de l initiation de la transcription La transcription est initiée quand un complexe d initiation de la transcription s assemble au niveau du promoteur du gène. Ce complexe comprend l ARN polymérase qui va synthétiser l ARN pré-messager mais aussi différents facteurs de transcription généraux nécessaires à la transcription de tous les gènes. Pour assurer un niveau de transcription élevé de certains gènes (par ex à un moment donné ou dans une cellule précise), d autres facteurs de transcription appelés alors spécifiques sont nécessaires. 5

6 La régulation de l expression des gènes : régulation de l initiation de la transcription Des éléments de contrôle proximaux et plus distaux sont présents dans le promoteur des gènes, ils sont appelés amplificateurs. Ces éléments sont reconnus par des facteurs de transcription spécifiques (activateurs ou répresseurs) qui vont augmenter ou diminuer le taux de transcription du gène. 6

7 La régulation de l expression des gènes : régulation de l initiation de la transcription On estime qu il existe en moyenne dix éléments de régulation dans le promoteur de chaque gène et environ une douzaine de séquences de régulation différentes. C est la combinaison particulière des éléments de régulation dans un promoteur donné qui déterminera le taux de transcription du gène en fonction du type cellulaire et des signaux que perçoit la cellule. 7

8 La régulation de l expression des gènes au niveau posttranscriptionnel Au niveau de la maturation de l ARN : l épissage alternatif (ou épissage différentiel) est un processus par lequel différents ARNm peuvent être produits à partir du même ARN pré-messager selon que les différents segments sont considérés comme des exons ou des introns. Chaque ARNm différent produira une protéine différente. 8

9 La régulation de l expression des gènes au niveau posttranscriptionnel Au niveau de la stabilité de l ARNm : la durée de vie d un ARNm dans une cellule eucaryote varie entre quelques heures et quelques jours. Chaque molécule d ARNm sera donc traduite un grand nombre de fois. La coiffe, la queue polya et des séquences particulières dans la 3 UTR régulent la stabilité de l ARNm. Récemment un nouveau mécanisme de régulation de la stabilité des ARNm a été découvert : il s agit des microrna (mirna). Il s agit d ARN transcrits à partir du génome sous forme d épingle à cheveux. Ces ARn sont ensuite coupés en segments simple-brin plus courts qui peuvent se lier à des séquences complémentaires sur les ARNm (dits cibles) dont ils initient la dégradation. 9

10 La régulation de l expression des gènes au niveau posttranscriptionnel Au niveau de la traduction : l initiation de la traduction peut être suspendue par des protéines régulatrices particulières qui se lient à la 5 UTR des ARNm et empêchent les ribosomes de se fixer. Au niveau de la stabilité des protéines : la durée de vie d une protéine varie de quelques heures à quelques jours. Les protéines sont dégradées par un complexe multimérique appelé protéasome, après avoir été liées à plusieurs unités d ubiquitine. 10

11 Le cancer résulte d altérations génétiques qui dérégulent le cycle cellulaire Un cancer est formé à partir de cellules qui prolifèrent de manière anarchique. Cette prolifération est due à la mutation de gènes qui codent pour des régulateurs du cycle cellulaire. Ces mutations affectent deux types de gènes : - des proto-oncogènes qui sont des gènes normaux qui codent pour des protéines stimulant la division normale des cellules. Lorsqu ils sont mutés, ils deviennent des oncogènes car ils sont exprimés en plus grande quantité ou codent pour une protéine avec une plus grande activité = mutation gain de fonction. - des anti-oncogènes ou gènes suppresseurs de tumeur qui codent pour des régulateurs négatifs de la division cellulaire. Une mutation entraîne une diminution de leur expression ou de l activité de la protéine qu ils encodent = mutation perte de fonction. 11

12 Le cancer résulte d altérations génétiques qui dérégulent le cycle cellulaire 12

13 Le cancer résulte d altérations génétiques qui dérégulent le cycle cellulaire Pour qu un cancer se développe, il faut souvent plusieurs mutations différentes affectant successivement différents proto-oncogènes et/ou antioncogènes. Certains cancers ont une composante héréditaire car l individu a hérédité un allèle muté d un des anti-oncogènes (ex gène BRCA1 ou BRCA2 pour le cancer du sein). 13

14 Le génome des eucaryotes comprend une grande partie de séquences non codantes La majeure partie du génome des eucaryotes n est pas codante. Seul 1,5 % du génome code pour les ARNm qui serviront à traduire les protéines, pour les ARNr et les ARNt. Les séquences régulatrices (promoteurs) et les introns représentent 24 % du génome. Presque toutes les séquences inter-géniques sont formées d ADN répétitif dont 44 % sont constitués d éléments transposables. 14

15 Les séquences transposables Il existe deux types de séquences transposables chez les eucaryotes : les transposons et les rétrotransposons. Les transposons se déplacent à l intérieur d un génome par l intermédiaire d un ADN (couper-coller). Les rétrotransposons sont d abord transcrits en ARN, puis rétrotranscrits en ADN avant de se réinsérer dans le génome, à un endroit différent de son origine (copier-coller). 15

16 L ADN de simple séquence L ADN de simple séquence (ou ADN satellite) contient de nombreux exemplaires de cours séquences (inférieures à 15 nucléotides) répétées en tandem : ex GTTAC GTTAC GTTAC GTTAC GTTAC GTTAC GTTAC = cinq nucléotides GTTAC répétés un grand nombre de fois, jusqu à 500 fois On retrouve ces séquences principalement au niveau des centromères et des télomères. 16

17 Les familles multigéniques Le génome des eucaryotes ne contient souvent qu un exemplaire que la plupart des gènes par jeu haploïde de chromosomes. Cependant, il existe aussi des familles multigéniques, qui sont des ensembles de gènes identiques ou très semblables. Certaines familles sont constituées d un ensemble de gènes identiques, groupés en tandem (ex les ARNr) et regroupés une seule unité de transcription. La cellule peut ainsi synthétiser plus facilement les quantités énormes d ARNr nécessaires pour fabriquer les ribosomes. Certaines familles sont constituées de gènes non identiques (ex les globines). Ces gènes sont situés sur des chromosomes différents et encodent des formes légèrement différentes de l hémoglobine qui s expriment à des moments différents. Cette famille contient aussi des pseudogènes, qui ne codent pas pour une protéine. 17

18 L évolution du génome Les mutations sont le moteur de l évolution. Au cours de l évolution, la taille des génomes a augmenté, favorisant l apparition de nouveaux gènes encodant des protéines avec de nouvelles fonctions. Cette augmentation de taille peut être générée par duplication des jeux de chromosomes (polyploïdie), chaque exemplaire des gènes évoluant alors différemment. Des erreurs au cours de la méiose peuvent également aboutir à la duplication de gènes, notamment par enjambement inégal. La présence d éléments transposables, de même séquence, favorise ce mauvais appariement. L apparition des familles multigéniques est attribuable à ce processus. 18

19 L évolution du génome On a pu retracer les événements de duplication qui ont amené à la situation actuelle de la famille multigénique des gènes de la globine. L évolution de chacun des gènes séparément peut engendrer de nouvelles propriétés ou fonctions aux protéines qu ils encodent. 19

20 L évolution du génome par brassage d exons Le réarrangement de séquences existantes a aussi contribué à l évolution du génome. Un exon code souvent pour un domaine de la protéine, ayant une fonction donnée. Différents événements peuvent conduire au brassage des exons et à la création de nouvelles protéines : - duplication d exons au sein du même gène (par enjambement inégal) - mélange occasionnel de différents exons de gènes différents par recombinaison méiotique - déplacement d exon(s) ou de gène entier via les éléments transposables La présence d éléments transposables homologues dispersées sur l entièreté des chromosomes permet la recombinaison entre les chromosomes. La plupart de ces altérations sont probablement nuisibles mais au fil de l évolution, certaines de ces modifications ont permis l apparition de nouvelles fonctions, favorables à l organisme. 20