Structure et organisation fonctionnelle du noyau interphasique. I- Cellule procaryote et eucaryote

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1 Structure et organisation fonctionnelle du noyau interphasique I- Cellule procaryote et eucaryote Noyau séparé du reste de la cellule mais la cellule eucaryote est compartimentée, le noyau fait partie de la compartimentation, meme apanage eucaryote. Le noyau est compartimenté et délimité par une enveloppe nucléaire. Toute étude du noyau repose sur cette différence fondamentale entre les cellules Procaryotes (= à noyau élémentaire) et Eucaryotes (= à vrai noyau). Ceci explique la complexité du noyau des Eucaryotes par la présence dʼun noyau, où le matériel génétique est séparé du cytoplasme par une enveloppe nucléaire, leur particularité structurale. Les éléments structuraux du noyau interphasique Schéma général du noyau interphasique Présentation des différents constituants du noyau : Le noyau, unité structurale et fonctionnelle, présente au cours de lʼinterphase: - une enveloppe nucléaire, séparant le noyau du cytoplasme (= eucaryotes) - un nucléoplasme, où sʼeffectuent les réactions métaboliques du noyau - la chromatine, structure chromophile et dense aux électrons, matériel génétique - le nucléole, corps sphérique, sans membrane, siège de la synthèse des ARNr. A- Lʼenveloppe nucléaire Définition et structure générale de lʼenveloppe nucléaire Définition Cʼest un complexe membranaire, caractéristique des cellules eucaryotes, qui sépare le noyau du cytoplasme et qui contrôle les échanges entre le noyau et le cytoplasme. Structure générale Elle est constituée dʼune membrane externe, baignant dans le cytoplasme,dʼune membrane interne, baignant dans le nucléoplasme, dʼun espace périnucléaire, entre les

2 deux membranes. Cet ensemble est percé de trous, appelés pores nucléaires, ou nucléopores.!"#$%&'!"'&$'(#)*+#*)"'!"(',-)"('.*+&"$%)"('".'+)/-!"+$,$0" Détail de la structure des pores nucléaires en cryodécapage Les membranes de lʼenveloppe nucléaire Les études en ME montrent que ce sont des membranes de type «unit membrane de Robertson» dʼune épaisseur de 75 A. Elle présentent les mêmes caractéristiques biochimiques et une asymétrie moléculaire classique et morphologique particulière. Asymétrie morphologique membrane interne: lamines, côté nucléoplasme membrane externe: ribosomes, côté cytoplasme!"#$!%&'("#$()*!"%'+"# Les lamines nucléaires

3 Les lamines nucléaires La membrane interne de lʼenveloppe nucléaire sert dʼancrage aux fibres chromatiniennes et à la couche fibrillaire très fine, la lamina. Cette lamina est un réseau fibrillaire, cohérent et isolable, qui permet le maintien de la forme du noyau. La lamina est constituée de polypeptides fibreux, appelés lamines, protéines du cytosquelette de la famille des filaments intermédiaires. Structure qui disparait a la mitose.!"#$!%&'("#$)%(#$!%$#*+,-*,+"$$ > Es >KWW Eh > /Z $ Les lamines dans la structure de lʼenveloppe nucléaire Le complexe du pore nucléaire - Caractères morphologiques (nombre, distribution) - Caractère structuraux (matériel annulaire, fibrillaire, granulaire)

4 Microphagie en ME de pores nucléaires Caractères morphologiques des pores nucléaires Structure complexe, dynamique, labile. Nombre élevé, très variable selon les types cellulaires étudiés Nb pores/u2 +F:A386?37'''''''''''KPSNP''''''''''''TPPP''''''''''''''''QU )G86?37'''''''''''''''''''UP'''''''''''''''RP'(''''''''''''''''KU Nombre variable au sein dʼun même type cellulaire en fonction de lʼétat cellulaire (dʼun type cellulaire). Plus le noyau est actif (transcription), plus le nombre des pores est important. Ajustement permanent de la surface totale des pores. Nombre de pore adapté à lʼintensité des échanges. Schéma général du pore Structure générale dʼun pore Structure très complexe, sans cesse revisitée. On distingue classiquement 3 grandes parties : - un anneau, ou matériel annulaire, avec une partie cytoplasmique et nucléaire

5 - un canal (ou transporteur) central - un matériel fibrillaire (ou bras radiaires) reliant les deux structures précédentes et délimitant des canaux latéraux - un anneau nucléaire éloigné dans le nucléoplasme relié au complexe du pore par les filaments dʼun filet - il existe aussi des filaments cytoplasmiques ancrés sur lʼanneau L ʼanneau, ou matériel annulaire Il comprend 8 particules sphériques de 200 A de diamètre disposées sur chaque face du pore (anneau cytoplasmique et nucléaire). Chaque particule est constituée de protéines fibreuses pelotonnées, qui peuvent se déployer. Leur structure tridimensionnelle va déterminer lʼouverture ou la fermeture (temporaire) du pore ( = modulation du nombre selon lʼintensité des échanges). Plasticité de la structure du pore nucléaire (Role des protéines globulaires) Le granule central De 250 A de diamètre, il occupe le centre du pore et va jouer un rôle majeur dans le contrôle du passage nucléo-cytoplasmique. Le diamètre utile nʼest que de 100 A. Pole nucléaire vu de face Place de lʼenveloppe nucléaire dans la cellule Les rapports entre lʼenveloppe nucléaire" et les éléments cytoplasmiques - continuité avec les membranes du réticulum endoplasmique granuleux. Ribosomes sur la face cytosolique de la membrane externe. - contiguïté avec les mitochondries. Energie. Les rapports entre lʼenveloppe nucléaire et les éléments nucléaires - accolement des éléments chromatiniens à la face nucléoplasmique de la membrane interne.

6 Continuité enveloppe nucléaire/re )#2",+.31%4&) On a une continuité entre la citerne du RE et lʼespace intermembranaire. Etude histochimique %"&42!252 de la continuité EN et REG Continuité structurale EN/REG Il existe une véritable continuité structurale entre lʼenveloppe nucléaire et les membranes et les citernes du réticulum endoplasmique granuleux. Quelques arguments: - présence de ribosomes sur la face cytosolique de la membrane externe de lʼen. - proportion voisine lipides/protéines membranaires - Composition chimique voisine en protéines et glycoprotéines des membranes II- Roles de lʼenveloppe nucléaire 1- Role dans les échanges nucléo-cytoplasmique Le hyaloplasme et le nucléoplasme sont des milieux biologiques aqueux, plus ou moins visqueux ou sʼeffectuent toutes les réactions métaboliques de la cellule. Tous les constituants chimiques structuraux nécessaires à ces réactions y sont présents dissouts in situ (substrats, précurseurs, enzymes, etc)

7 Conséquences fonctionnelles de cette réalité structurale La continuité structurale (phase liquidienne hydrophile) du hyaloplasme et du nucléoplasme explique la facilité et lʼintensité des échanges bi-directionnels nucléocytoplasmiques, certes régulés par lʼenveloppe nucléaire. Continuité entre cytoplasme et nucléoplasme Deux grands modes dʼéchanges nucléo-cytoplasmique sʼétablissent, au niveau des membranes (modes de passage transmembranaire classique à 1 ou 2 franchissements membrananaire(s), mais surtout au niveau des pores nucléaires). Ceci permet un intense passafe bi-directionnel, dans une phase hydrophile continue cytoplasme/nucléoplasme. Les lieux possibles dʼéchanges nucléo-cytoplasmique Modalités membranaires et modalités de pores. On a une relation privilégiée entre les membranes de lʼenv et des citernes du RE. Si les protéines sont dans les citernes elles seront au contact de lʼespace péri elles nʼauront donc quʼune membrane a franchir. Généralités sur les échanges nucléo-cytoplasmiques - Cʼest un transport bi-directionnel, qui sʼeffectue en continu entre le hyaloplasme et le nucléoplasme. - Ce transport est trés intense au niveau des pores nucléaires, plus limité au travers des membranes de lʼenveloppe. - Deplus,lesmodesdʼéchangesonttrèsdifférents: a) modes classiques déjà étudiés au niveau des membranes de lʼenveloppe. b) mode particulier, en phase aqueuse avec un flux dʼeau important, au niveau des pores. a- Passage à travers les membranes nucléaires Les modes de passage des petits solutés sont comparables à ceux déjà évoqués dans les études de la perméabilité membranaire, à savoir: - la diffusion simple -"le transport actif -" Le passage global par bourgeonnement Mais, il faut prendre en compte que lʼenveloppe nucléaire présente deux membranes. Cas particulier du passage à travers une seule.

8 b- Passage à travers les pores nucléaires Dans une cellule, plus dʼun million de molécules traversent par minute les 2 à 5000 pores du noyau. Vu le grand diamètre des pores (max 250 A, mais canal max 100 A), le passage est très intense, laissant passer de très grosses molécules, mais assure un mode de passage sélectif : - diffusion passive libre de petites molécules (50 KD) par les canaux latéraux - transport actif (besoin dʼatp) des macromolécules (ARN, protéines), par le canal (transporteur) central Les échanges sont bi-directionnels, mais il faut distinguer: les mouvements noyau vers cytoplasme (phénomènes dʼexportation) les mouvements cytoplasme vers noyau (phénomènes dʼimportation) En se rappelant que: la biosynthèse de toutes les protéines se fait uniquement dans le cytoplasme Il existe des protéines de structure cytoplasmiques et nucléaires. Les protéines nucléaires sont élaborées par les ribosomes libres (polysomes) dans le cytoplasme. Quand cʼest une protéine nucléaire, elle revient dans le noyau. Transport spécifique à travers le pore De facon surprenante, en dépit de canaux constitutionnels larges et nombreux (canal central, canaux latéraux), pratiquement tous les trafic à travers les pores, meme celui des petites molécules, font intervenir des protéines spécifiques de facilitation et de transport (intense sélectivité du mécanisme de passage). Les protéines de transport nucléaires Les protéines importées ou exportées vers le noyau comportent une séquence (ou signal) de localisation nucléaire reconnue par une protéine spécifique de transport. Lorsque un ARN nʼest pas mature, il ne peur sortir du noyau, car il est associé a une protéine comportant un signal de rétention nucléaire. Il sera détruit à la maturation de lʼarn. Cinétique de lʼinteraction protéine activée/importine La protéine présente le signal de prise en charge qui lui permet dʼetre transporté.

9 Passage de super macromolécules à travers les pores nucléaires Mais, en fait, les macromolécules gigantesques, les nucléoprotéines, de plusieurs millions de daltons ou de 30 à 40 kpd, particules de 500 A de diamètre dans le noyau, sont déformables (structure en baguette dʼun diamètre de 130 A) et peuvent ainsi traverser le pore. Les mouvements spécifiques noyau vers cytoplasme (exportation) - Les ARNt et ARNm sont synthétisés (transcrits) dans le noyau et gagnent le cytoplasme pour leur traduction sur les ribosomes. Ce mode de passage est sélectif. - Les ARNt sont pris en charge par un transporteur spécifique, lʼexportine-t - Le passage des ARNm est conditionné par leur maturation terminée et pris en charge par une protéine, la TAP (protéine transporteuse associée) - Passage des ARNr, précurseurs des ribosomes Les mouvements spécifiques cytoplasme vers noyau (importation) Ils sont très intenses, car tous les matériels protéiques constitutifs du noyau sont élaborés dans le cytoplasme et doivent regagner le noyau. Exemples: - les protéines nucléaires acides et basiques (histones) - les ADN et ARN polymérases - les facteurs de duplication et de transcription - les protéines associées aux ARN ribosomaux - dʼautres enzymes (primase, ligases, etc) Passage a travers les membranes nucléaires Vu le grand diamètre des pores (environ 500 A), le passage est intense, laisse passer de très grosses molécules, mais assure un mode de passage sélectif, barrière à une diffusion libre. Comme pour tout passage sélectif, deux paramètres sont à prendre en compte, la taille (ou rayon moléculaire) et la charge électrique. Mode dʼimportation des protéines nucléaires Les protéines nucléaires P (ou caryophiles) ont un signal dʼadressage nucléaire (NLS, nuclear localization signal). Elles sont reconnues au voisinage du pore par une protéine cytosolique, lʼimportine, présentant deux sous-unités alpha (ai) et béta (bi). Formation du complexe PNLS/aI, puis du complexe PNLS/aI/bI avant sa prise en charge sur les filaments (ou fibrilles) cytoplasmiques et sur lʼanneau cytoplasmique. Translocation dans le noyau. Libération de la protéine dans le nucléoplasme. Retour du transporteur dans"le cytoplasme (recyclage). 2- Role dans la formation des organites intercellulaires Les membranes de lʼenveloppe nucléaire participent au trafic membranaire intracellulaire ( ou «continuum membranaire») dans la mesure où il y a continuité structurale entre les membranes de lʼenveloppe nucléaire et celles du réticulum endoplasmique granulaire. B- Le nucléole 1)Définition du nucléole Le nucléole est une petite masse intranucléaire sphérique, non délimité par une biomembrane, au milieu du réseau chromatinien. Cʼest un organite nucléaire.

10 Cʼest lʼorganite responsable de la synthèse des acides ribonucléotidiques constitutifs des ribosomes. Il nʼexiste que dans le noyau interphasique, disparaissant pendant la mitose. Place du nucléole dans le noyau Place du nucléole au sein de la chromatine nucléaire 2)Structure du nucléole Aspect morphologique En microscopie photonique ( à contraste de phase) Granule réfringent, sphérique ou ovale, entouré dʼun anneau de chromatine, dite périnucléolaire. En microscopie électronique (MET) Structure complexe, hétérogène sous forme de: - fibrilles de longueur et diamètre variables, - granules de 150 A, très chromaffines, représentant des ADNPs et des ARNPs et baignant dans une structure amorphe, peu dense aux électrons. Aspect biochimique a) des nucléoprotéines Ribonucléoprotéines et désoxyribo- nucléoprotéines nucléolaires b) des protéines nucléaires (nucléolaires) Protéines nucléaires acides et basiques

11 c) des enzymes intervenant dans les réactions de biosynthèse (ARN polymérase) ou de maturation des ARN. 3)Physiologie du nucléole Role dans la synthèse de lʼarn ribosomal Mise en évidence. Expérience sur les oeufs de Xénope. Conclusions : le nucléole est indispensable à la synthèse de lʼarn ribosomal On a bien des ARNm et t mais on a pas dʼarnr. Une cellule sans ARNr va mourir (pas de synthèse). Cʼest le nucléole qui est à lʼorigine de la synthèse des ARNr. Elaboration des deux sous-unités des ribosomes LʼADN nucléolaire va servir a transcrire lʼarnr 45S, dit précurseur des autres ARN formés.

12 Elaboration des ARNr LʼADNr va élaborer par transcription lʼarnr 45S, qui va se lier, dans le nucléole, aux protéines pour donner les RNAPs, formes circulantes des ARN. Clivage en deux ARN 20 et 32S. Remaniement, par clivage, des ARN 20 et 32S en des ARN 18 et 28S avec ajout dʼun ARN 5S nucléaire. Ces deux ARN 18S et 28S + 5S sortent du noyau et, associés à de nombreuses protéines, seront les deux sous-unités constitutives des ribosomes. Seul exemple en biologie où un organite donne naissance à un autre organite. C- La chromatine nucléaire Déjà abordée dans lʼue2 en Biologie cellulaire, nous la traiterons ici comme une introduction morphologique à lʼétude biochimique des acides nucléiques, constituants essentiels de la chromatine. Introduction Chromatine interphasique et chromosomes mitotiques sont deux états morphologiques dʼune même entité biochimique intracellulaire. - la chromatine est caractéristique de lʼinterphase, structure hétérogène répartie dans le noyau interphasique, - le chromosome est caractéristique de la division cellulaire ou mitose, structure condensée, individualisée, visible nettement. Il existe néanmoins quelques différences.

13 1)Caractères morphologiques Euchromatine et hétérochormatine La chromatine nucléaire présente une forte affinité tinctoriale (chromaffine) pour les colorants basiques, colorée en microscopie photonique et osmiophile en microscopie électronique. Elle se présente sous la forme de masses chromatiniennes réparties dans tout le noyau et séparées par des espaces interchromatiniens. Elles peuvent prendre la forme de granulations, de mottes ou alors dʼun réseau de fibres, de calibre et de mailles variables. On distingue deux types de chromatine, qui différent par un ensemble de propriétés structurales et fonctionnelles. - Elles sont appelées EUCHROMATINE (Eu en grec signifie vrai) et HETEROCHROMATINE (pour signifier une structure hétérogéne). - On distingue aussi la chromatine périphérique, accolée à lʼenveloppe nucléaire et la chromatine nucléolaire au voisinage du nucléole. - Lʼeuchromatine est peu osmiophile en ME (car peu condensée), active génétiquement, a une duplication précoce de lʼadn et nʼa pas dʼadn répétitif. - Lʼhétérochromatine est très osmiophile en ME (car condensée), inactive génétiquement, a une duplication tardive de lʼadn et a un ADN globalement répétitif. On parle dʼ hétérochromatine constitutive, condensée pendant tout le cycle cellulaire et lʼhétérochromatine facultative (ou chromatine sexuelle) dans les cellules somatiques femelles sous la forme de corps de Barr. Les fibres chromatiniennes Les fibres chromatiniennes sont les constituants essentiels du noyau interphasique. Elles préfigurent les chromosomes mitotiques. Elles ont une longueur totale de plusieurs millimètres et sʼinsèrent sur la membrane interne de lʼenveloppe nucléaire autour des pores. Elles forment un réseau intranucléaire, plus ou moins dense, présent dans tout le noyau. Comme déjà vu avec lʼaspect général de la chromatine, on va distinguer deux types de fibre (deux états de la chromatine); - les fibres spiralisées à enroulement serré, épaisses,ayant 200 à 300 A de diamètre, situées dans les régions dʼhétérochromatine, - les fibres déspiralisées, fines, nʼayant que 30 à 60 A de diamètre, situées dans les régions dʼeuchromatine. La structure du noyau est a la fois complexe et cohérente. Le nucléole est une illustration dʼune compartimentation nucléaire (le noyau étant intégré a des nucléoles qui ont des structures et des fonctions spécifiques). Il nʼy aurait pas de pore => pas de possibilité dʼéchanges aussi intenses avec des molécules aussi lourdes. On pourrait imaginer que le pore est une entrave a la sélectivité.