Le noyau cellulaire :

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1 Le noyau cellulaire : Introduction : Il est visible uniquement chez les cellules eucaryotes. Il composé d une enveloppe nucléaire permettant aux informations de passer grâce à des pores nucléaires. I/ Le noyau au microscopie : 1/ En microscopie optique : Il y a une masse au centre, avec des mottes chromatiniennes. On observe aussi quelques organites. 2/ En microscopie électronique : Le noyau est cloisonné par deux membranes (un à l intérieur et une à l extérieur) séparées par un petit espace. La membrane du REG est continue avec la membrane externe du noyau. A l intérieur, il y a des mottes de chromatines (mottes foncées) ou hétérochromatine et de l euchromatine (mottes plus claires, plus dispersées). Tutorat PACES Amiens 1

2 Lors de la transcription on recopie l ADN en ARNm grâce à des enzymes spécifiques. L ARNm est épissé et subit des maturations. Puis il sort dans le cytoplasme pour être traduit en acides aminés grâce à des pores nucléaires dans la membrane du noyau. II/ Le noyau : 1/ L enveloppe nucléaire : Elle est constituée de deux membranes parallèles distantes de 10 à 50 nm délimitant l espace péri nucléaire entre la membrane interne et la membrane externe. La mitochondrie est aussi entourée de deux membranes. Le noyau n est pas considéré comme un organite. Ces deux membranes prolonge le RE, surtout le REG. La membrane externe de l enveloppe nucléaire est parsemée de ribosomes. La face interne de la membrane se soude à la lamina nucléaire ( La membrane interne et la membrane externe se soudent au niveau des pores nucléaires (complexe de protéines formant des pores dans la membrane nucléaire). C est une barrière douée d une perméabilité sélective entre les compartiments nucléaires et cytoplasmiques : ce sont des échanges nucléo plasmiques : Elle est impliquée dans : -Les échanges nucléo plasmiques -L organisation du contenu nucléaire -Le maintien de la forme du noyau -La réplication de l ADN -Le transport des ARN 2/ La lamina nucléaire : Elle représente un support structural pour l enveloppe nucléaire et sert à la fixation des fibres de chromatine à la périphérie du noyau. Elle est du côté interne de la membrane. La lamina constitue un grillage : il y a une cage autour de la membrane du noyau, elle donne la forme du noyau, elle a une fonction d armature. Elle sert à la fixation de l hétérochromatine Les protéines de la lamina : Les filaments de lamine ont un diamètre d environ 10nm et sont composés de polypeptides de lamines. Il y a 4 types de lamines : A, B1, B2 et C. Elles sont apparentées aux protéines qui constituent les filaments intermédiaires du cytosquelette (attention : ils sont apparentés, ce ne sont pas des filaments intermédiaires du cytosquelette). Les fibres s enroulent entre elles. Chaque dimère se placent les unes derrière les autres pour faire une fibre longue. Les polymères s associent les unes avec les autres, constituant un seul filament de la lamina nucléaire. Les filaments s associent entre eux pour former un grillage. 22. Pathologie : la progéria ou syndrome de Hutchinson-Gilford : Maladie très rare décrite en 1886 par Hutchinson et par Gilford en Elle correspond à une mutation ponctuelle de substitution remplaçant un nucléotide de cytosine par un nucléotide de thymine en position 1824 dans le gène LMNA (passage d une cytosine en thymine -> le codon stop est généré plus tôt que la normale). Ce syndrome entraine une croissance retardée, une alopécie et une morphologie du visage caractéristique marquée par sa petitesse, de petites mâchoires et un nez pincé. En évoluant, la maladie cause un vieillissement accéléré de la peau (rides, finesse), de Tutorat PACES Amiens 2

3 l athérosclérose, une ostéolyse des clavicules et des phalanges, des lipodystrophies, des problèmes cardiovasculaires et la perte des cheveux. Ils sont aussi atteint de troubles musculaires et squelettiques, leur taille ne dépasse pas 110 cm pour un poids de 15kg. Le développement mental n est en revanche pas affecté. La durée moyenne de vie est de l ordre de 15 ans, le décès étant la conséquence d un vieillissement prématuré. La lamine A est une protéine structurale de la matrice nucléaire, qui sous forme de prélamine A se trouve dans l enveloppe nucléaire, avant d être clivée en lamine A qui diffuse dans le noyau cellulaire. Dans la forme mutée, la lamine A perd une cinquantaine d AA pour devenir une «progérine» qui ne peut pas migrer dans le noyau cellulaire : elle reste attachée à la membrane nucléaire, entrainant sa déformation et l adhésion de la chromatine à cette dernière. 3/ Le pore nucléaire : Pour la ME on utilise des sels métalliques pour mettre en évidence les pores nucléaires Complexe du pore nucléaire : En général dans les schémas, le cytoplasme est orienté vers le haut et le noyau vers le bas. Il y a des protéines qui vont tapisser les pores nucléaires : l ensemble forme le complexe du pore nucléaire Structure du pore nucléaire : Le tuyau au centre est le transporteur central. Il y a deux anneaux nucléaires, ressemblant a une «roue de chariot», avec au centre «l essieu» qui serait ici le transporteur central. Le transporteur central ou canal central effectue les transports actifs. Les canaux latéraux de l anneau nucléaire effectuent des transports passifs Le passage des molécules au travers des pores nucléaires : Ex : protéine de la lamina nucléaire -> elle est synthétisée dans le cytoplasme. Elle doit rentrer dans le noyau par les pores nucléaires grâce à un transport actif car c est une grosse molécule. L ARN doit aller sur le ribosome : la sortie de l ARNm consomme de l énergie (nécessite des molécules) et passe par le canal central. Il y a des protéines qui vont rentrer : protéines régulatrices, ADN et ARN polymérases, histones et des protéines qui vont sortir : ARNm et ARN de transfert, protéines régulatrices. Tutorat PACES Amiens 3

4 3.4. Transport nucléaire : Des protéines transmembranaires constituent des récepteurs. Ils reçoivent un signal de synthèse d une protéine pour la sécréter. Ce signal est souvent sous forme de ligands : ce sont des récepteurs membranaires. La signalisation est la transduction du signal (ce qui se passe dans le noyau est en relation avec l extérieur). Le signal rentre dans le noyau. Il active des protéines. Quand le signal spécifique n est pas la, il n y a pas activation du gène et donc pas d activation de la transcription. C est le promoteur qui permet d activer le gène et la transcription. 4/ Le transport actif : 4.1. Import : Il y a une séquence peptidique : cette séquence de localisation nucléaire est dans la séquence de la protéine (séquence peptidique d adressage). Elle a été découverte par Alan Smith qui travaillait sur le virus SV40 (adénovirus pouvant engendrer certaines formes de cancers) : les protéines de ce virus est l antigène T (protéine) qu il a rendue fluorescente. Il a muté les AA uns par uns (remplacement de lysine par thréonine) : la séquence de localisation nucléaire est alors mutée La régulation de la translocation nucléaire : Le signal de localisation nucléaire permet à la protéine d être effective. Le facteur de transcription rentre dans le noyau. Il est reconnu par la protéine qui va servir au transport/import : l importine, celle servant pour l export s appelant l exportine. L importine est responsable du transport actif des molécules dans le noyau. Le transport dans le noyau implique la reconnaissance du NLS (signal de localisation nucléaire) par l importine Dynamique moléculaire de l importation nucléaire : L importine est un complexe séparé en deux sous unités (alpha et béta) : l ensemble importante alpha et béta se complexent à la protéine importée. Elle passe le pore nucléaire puis le complexe se dissocie (consommation d énergie : consommation de GTP). Tutorat PACES Amiens 4

5 Dans le cytoplasme, l importine est complexé au RanGDP. Elle reconnaît la protéine à importée avec son signal de localisation nucléaire. Ce complexe passe le pore nucléaire. Dans le noyau, l importine se dissocie de la protéine importée. Le RanGDP se transforme alors en RanGTP. La conformation 3D du RanGTP est différente du Ran GDP. Ces deux formes ne fixent pas les mêmes protéines Import nucléaire, le rôle de Ran : Le ran est une protéine nucléaire ou cytoplasmique. Le Ran nucléaire est complexée au GTP ou au GDP (dans le cytoplasme il y aura plus de Ran GDP et moins de Ran GTP et dans le noyau on aura plus de RanGTP et moins de Ran GDP). En fonction de GTP ou GDP, le Ran n interagit pas avec les mêmes partenaires (importine ou exportine) Import nucléaire : le rôle de Ran-GDP et Ran-GTP : Il y a une phosphorylation ou déphosphorylation en fonction de ce que l on veut faire. La phosphorylation se fait (transformation GTP -> GDP) lorsque l on veut que l importine reconnaisse la protéine à importée par le signal de localisation nucléaire. Pour dissocier la protéine de l importine, il faut dégager l importine : transformation du Ran GDP en Ran GTP, le complexe se dissocie alors, l importine et le ran sont libérés. L importine a donc une forte affinité pour le Ran GDP et une faible affinité pour le RanGTP. L importine ressort ensuite pour transporter d autres protéines. Tutorat PACES Amiens 5

6 Pour le transport du cytoplasme vers le noyau on utilisera du Ran GDP. Pour le transport inverse (vers l extérieur) on utilisera du GTP. Pour libérer l ensemble, on transforme le RanGTP et RanGDP. Il existe un gradient de RanGDP et RanGTP. Pour qu il y ait transport du cytoplasme au noyau, il faut un rangdp. Au niveau du noyau il sera transformé en RanGTP libérant l importine. Elle doit retourner dans le cytoplasme où elle va se coupler à une autre protéine qui va l exporter grâce au RanGTP. Cette protéine va s associer au RanGTP et à l importine. Dans le cytoplasme il y aura transformation du RanGTP au RanGDP pour pouvoir retransporter une protéine. L importine, constituée des deux sous unités (alpha et béta) transportent la protéine grâce à la reconnaissance du NLS par l importine alpha. Ce complexe va s associer avec l importine béta qui est associée avec le rangdp. Ce complexe va passer le pore nucléaire, la protéine d intêret va être libérée grâce à la transformation du RanGDP en RanGTP. L importine alpha qui a son propre NLS va être reconnue par l exportine elle même couplée au RanGTP. Ce complexe va passer le pore nucléaire pour aller dans le cytoplasme. Le RanGTP est transformé en RAnGDP-exportine ce qui va permettre un transport de ce complexe vers le noyau où l exportine-rangdp va être transformée en RanGDP capable de refaire un export. Une fois que la protéine importée ne sert plus dans le noyau, elle doit retourner dans le cytoplasme. Pour l exporter il y aura un signal de reconnaissance : signal d exportation nucléaire (NES). Ces protéines auront donc à la fois le NLS et le NES. Certaines protéines ne sont avoir que le NLS comme l ADN polymérase qui ne se trouve que dans le noyau où elle reste une fois transportée. De même, les protéines de la chaine respiratoire de la mitochondrie auront un NES et pas de NLS, pareillement pour les protéines du cytosquelette. En fonction de la position finale de la protéine on aura un signal de localisation nucléaire, ou un signal d exportation nucléaire, ou les deux. En fonction du facteur de transcription, une phosphorylation ou une déphosphorylation permettra de reconnaître la protéine. Le transport nucléaire ne résulte pas d une phénomène seulement à travers la membrane nucléaire, mais d un phénomène cytoplasmique et d une cascade de phosphorylation et déphosphorylation au niveau du cytoplasme Exemple : le facteur NF-kB : C est un promoteur, il permet d éteindre ou d allumer la synthèse des protéines. Ils vont reconnaître des régions précises dans certains gènes, ainsi ils ne vont pouvoir éteindre/allumer que la transcription de certains gènes. Il intervient dans la production des anticorps, l activation des cellules immunitaires, le développement des lymphocytes T et B, la réponse antivirale, dans le développement embryonnaire, le contrôle de l apoptose et la prolifération et différenciation. Il est constitué de deux sous unités : une de 50kDa (p50) et une de 65kDa (p65). Ce facteur, au départ dans le cytoplasme, doit passer dans le noyau pour être actif et activer les gènes nécessaires mais il est inaccessible à l importine (il est inhibé dans le cytoplasme). Quand l inhibiteur est absent, l importine reconnaît ce facteur NF-kB et le transporter dans le noyau. Ce facteur doit être transporté quand il est activé. Il sera reconnu par une importine (une sous unité plus reconnue qu une autre). Tutorat PACES Amiens 6

7 Néanmoins, ce facteur est présent en continu dans le cytoplasme, mais quand on a pas besoin de lui, il est fixé à un inhibiteur. Quand un signal active son utilisation, l inhibiteur s en va et il pourra être reconnu par l importine. Quand on a pas besoin de lui, il est bloqué par son inhibiteur (appelé I-kB) et il est séquestré dans le cytoplasme à cause de cet inhibiteur. Le signal NLS de la NF-kB est donc bloqué par l IkB. 5/ Transport de l ARN : Il existe un autre transport qui se fait du noyau vers le cytoplasme, celui de l ARN. Il se fait aussi au travers du pore nucléaire, c est aussi un transport actif. Cet ARNm est entouré de protéines qui lui permettre d être reconnu et de travers le pore nucléaire. Il est déjà reconnu par le ribosome en position 5 alors qu il n a pas encore passé totalement le pore. L ARNm sort par le pore nucléaire. Il se dirige soit vers le ribosome lié, soit vers le ribosome libre. -Sur un ribosome lié, la protéine reste dans le cytoplasme, ou vont avoir des fonctions nucléaires. Il y a formation de petits sacs dans le RE : ce sont des protéines qui vont être sécrétées. -Sur un ribosome libre C est en fonction du devenir de la protéine que l ARN va se dirigé vers le ribosome libre ou le ribosome liés (=RE). Tutorat PACES Amiens 7

8 6/ Rappels : facteurs de transcription : Il y a des facteurs qui vont aller sur le gène de la protéine à produire, sur des sites particuliers. Les gènes vont être constitués d introns ou d exons. En amont de tout ça, il existe le promoteur qui va «allumer ou éteindre» la synthèse des protéines. Le facteur de transcription va reconnaître une séquence 6 bien spécifique sur le promoteur. L ARN va être constitué mais il sera immature avec des «morceaux» inutiles pour la traduction. On les éliminera. Ce sont les introns qu on n éliminera pas épissage, on ne gardera que des exons. On part d un ARN primaire à un ARN message qui sera encore modifié avant de pouvoir sortir. Se fera ensuite la traduction de l ARNm en protéine. Un gène procaryote n a pas d introns mais que des exons : Des éléments régulateurs en amont vont reconnaître le facteur de transcription qui «allumer» le gène pour être copié en ARNm. Tutorat PACES Amiens 8

9 Ce facteur de transcription va rentrer dans le noyau, c est un signal qui va partir de la membrane plasmique et faire rentrer un facteur de transcription (qui est une protéine) dans le noyau. Lors de la transcription, il y a excision des introns mais aussi ajout qu une queue polya et en 5 une coiffe de méthylguanidine. Pour les procaryote, on a pas d introns, l ARNm n aura ni queue, ni coiffe il y a transcription direct en ARNm. Le pré-arnm sont associés à des protéines dès le début de la néo synthèse (c est à dire dés le début le traduction). Des particules ribonucléoprotéiques hétérogènes (RNPhn) qui contiennent de l ARN nucléaire hétérogène (ARNhn), formés de pré-arn et d autres ARN nucléaires (constituant le plasmosome). Le splicéosome effectue l épisasge de l ARN : -molécules d ARN courtes : U1, U2, U4, U5, U6 -Sont appelés petits ARN nucléaires = ARNsn chacun formant un complexe avec 7 sous unités protéiques pour former une RNPsn (petit ribonucléoprotéine nucléaire). Ces RNPsn forment le cœur du splicéosome. 7/ Fonctions des protéines des RNPhn : Association des pré-arnm (= ARNm non mature) avec RNPhn qui rend le pré-arnm disponible pour interagir avec d autres molécules d ARN ou d autres protéines. Certains protéines du RNPhn interagissent avec une séquence d ARN qui spécifient l épissage ou le clivage/polyadénylation et contribuent à la structure reconnue par les facteurs de maturation de l ARN. Tutorat PACES Amiens 9

10 Certains protéines de RNPhn restent localisées dans le noyau tandis que d autres entrent et sortent alternativement du cytoplasme (certaines sortent donc en même temps que l ARNm). Après sa maturation, l ARNm reste associé a certains protéines des RNPhn, formant un complexe RNPm (complexe RNP messager). Certaines protéines du RNPhn comportent un SEN. La coiffe va passer en premier et être reconnu par le Cap Binding (complexe CBC). Des protéines qui n ont pas le SEN et vont se dissocier au fer à mesure. Certains restent, ssociés et s appelleront de RNPm. Ces protéines transportant e l ARN seront utiles soit poru le transport, soit pour la maturation de l ARN. L4exportation de l ARN est un transport actif, il necessite donc de l énergie. 8/ Le matériel génétique du noyau : la chromatine : Il existe deux types de chromatine : -l euchromatine -l hétérochromatine L euchromatine est la forme la moins condensée, la plus ouverte. Elle correspond à des gènes actifs («eu» = vrai). L hétérochromatine est alors la plus condensée, la moins accessible. Ils correspondent à des gènes inactifs. Tutorat PACES Amiens 10

11 9/ Le compactage de l ARN : On part d un ADN double hélice, relaché. Au fur et à mesure, il y a un compactage zu fer et à mesure pour former à l aifn le chromosome. 10/ Le nucléole : Il n a pas de propre membrane, il est entouré par le noyau. Il est au centre du noyau. C est un gros agrégat de macromolécules. Le nucléole a un rôle dans la synthèse des ARNr et l élaboration des ribosomes. L ARN pré-ribosomique 45 S, subit une maturation qui produit 3 ARNr : 28S, 18S, 5,8S. Chez l homme, le ribosome est une particule de 30nm de diamètre, formée de deux sousunités de tailles inégales (la petite sous unité aussi appelée 40 S et la grande sous unité aussi appelée 60S). Elles sont composées de quatre chaines d ARN ribosomal et de nombreuses protéines. Le génome humain contient environ 200 gènes identiques codant l ARN ribosomal (ARNr) répartis sur 5 chromosomes (13, 14, 25, 21, 22). Chaque gène est transcrit dans le nucléole, plus précisément dans les zones fibrillaires par une ARN polymérase I en un précurseur de 47S (14000 bases d une longueur de ) Certaines séquences de ce précurseur sont excisées, ce qui donne naissance aux séquences 5,8 S et 28 S (pour assemblage de la grande sous unité) et 18 S (pour l assemblage de la petite sous unité). III/ Conclusion : L enveloppe nucléaire délimitant l espace périnucléaire. Le transport au niveau du noyau se fait par le pore nucléaire. Le canal central permet le transport actif (comme le transport de l ARN). Le transport passif des petites molécules se fait au niveau latéral. Organite entouré de deux membranes avec un espace inter membranaire en connexion avec le REG avec des ribosomes à l'extérieur de la membrane externe. A l'intérieur il y a des mottes chromatiniennes : l'euchromatine, et l'hétérochromatine. Sous la membrane on va trouver la lamina nucléaire. Ces deux membranes sont interrompus par un complexe protéique : le pore nucléaire où va se passer le transport : Un transport passif dans les canaux latéraux (dans les deux sens) Un transport actif dans les canaux centraux (dans les deux sens également) Il y a donc un transport du cytoplasme vers le noyau et inversement pour lequel on a besoin de signaux (d'import ou d'export) avec intervention d'une importine (ou exportine) composée de deux sous unités, de RAN et de certaines autres protéines non développées ici. Il existe un gradient de RAN. L'ADN peut être compressé. Le Facteur NF-κB qui est inhibé en cas normal, et qui lors d'une transduction de signal sera désinhibé pour rentrer dans le noyau. On devra donc phosphorylé ou déphosphorylé certaines protéines pour qu'elles soit utiles. Tutorat PACES Amiens 11