STABILITE ET VARIABILITE DE L INFORMATION GENETIQUE Anne-Laure van der Rest CPGE Technologie Biologie, 2 ème année, Lycée Ozenne, site du LEGTA de Toulouse Auzeville alvanderrest@free.fr 1
Introduction 2
Doc. 1: organisation du génome humain Interspersed repeats = séquences répétées dispersées = éléments génétiques mobiles (transposables) 3
REG Séquences régulatrices (enhancer ou silencer) sur lesquelles se fixent les facteurs spécifiques de la transcription (activateurs/ répresseurs) Séquences du promoteur élargi (100-200pb en amont du promoteur minimal) facilitant le recrutement des facteurs généraux de transcription Promoteur minimal contenant la boite TATA, sur lequel se fixent les facteurs généraux de la transcription permettant de recruter l ARN polymérase Doc.2: structure d un gène eucaryote 4
ADN = support de l information génétique Doc.3:Expérience de Griffith 5
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Doc.4: Expérience d Avery, Mc Leod, Mc Carthy 7
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Doc.5: Expérience de Hershey and Chase 9
Doc.6: ADN chez les Procaryotes Plasmide 10
Doc.7: ADN chez les Eucaryotes 11
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I] L ADN, une molécule stable et protégée dans la cellule A- Une double hélice stabilisée par les liaisons H 13
Doc.8: Principales bases azotées des acides nucléïques 14
Doc.9: Un maillon de la double hélice d ADN 15
Doc.10: Liaisons hydrogènes Ces liaisons faibles s établissent à courte distance. Elles résultent de la polarité des molécules. 16
Doc.11: ADN double brin 17
Hélice A Hélice B Hélice Z 18
B- Association avec des protéines conduisant à une protection Chez les Procaryotes Doc.12: étalement ADN d E. coli E. coli, ADN étalé autour de la bactérie 1mm = 5000 pb Risque de nœuds!!! 19
Doc.13: Histones-likes Protéines histones- likes: IHF, HU, H-NS, Fis petites, basiques, abondantes dans la bactérie Corps de la protéine = hélices a, surmonté de 2 bras de feuillets b. Ces bras se glissent dans le petit sillon de l ADN, et portent à leur extrémité une proline qui est responsable de la torsion de la molécule d ADN, car elle s intercale entre les bases. interaction ADN et protéines histone-like 20
La nature et la quantité des histones like présentes déterminent si le chromosome est surenroulé ou non Doc.14: effet des différentes protéines histone-like sur le surenroulement de l ADN 21
Doc.15: Structures relâchée et superenroulée 22
Doc.16: Formation des boucles chromosomiques Mise en place des boucles de repliement du chromosome bactérien par des protéines SMC (structural maintenance of chromosome). Il y a 40 à 50 boucles d environ 100kb, stabilisées par les histones-likes et ancrées sur d autres protéines, les SMC maintenant un degré de torsion plus ou moins élevé. Structure des SMC procaryotes avec celle des SMC eucaryotes. 23
Cas des Eucaryotes 24
CHROMATINE Le noyau des cellules eucaryotes contient le support de l information génétique qui est organisé en une structure complexe nommée chromatine, constituée d ADN (35%) et de protéines (histones et protéines non histones). C est donc la chromatine qui porte le message héréditaire. Nucléosome La microscopie électronique a révélé que la chromatine était constituée de particules régulièrement espacées qui sont composées : - d une partie centrale (cœur) : 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). Cette structure est très conservée parmi les espèces. - d une région de liaison (internucléosomale) d environ 14 nm, qui relie les parties centrales adjacentes. C est au niveau de cette région que des histones H1 s associent à l ADN qui relie deux nucléosomes. Ces histones sont de types variables et peu conservées parmi les espèces. Elles auraient 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. 25
Doc.17: Structure fondamentale de la chromatine, le «collier de perles» 26
Doc.18: Forces électrostatiques: «ponts salins» Interaction entre des groupes de charges opposées. Ce sont donc des forces qui agissent à grande distance, sont peu spécifiques. Chaque liaison stabilise le complexe formé (action stabilisatrice estimée à 40kJ.mol-1). Typiquement, ces forces vont se mettre en place entre les charges négatives des phosphates de l ADN et les charges positives de certains acides aminés (lysine, arginine, histidine). 27
Doc.19: formation du collier de perles 28
Doc.20: Cœur de nucléosome entier (1.7 tour d ADN et 8 histones) 29
Doc.21: ½ cœur de nucléosome Interactions non spécifiques entre la protéine et l ADN. Les «queues» Nt des histones peuvent venir stabiliser ces interactions en se glissant dans les sillons 30
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 ajoutent deux dimères H2A-H2B. Le nucléosome comprend 146 pb d ADN enroulées sur un octamère d histones. 2- Formation du nucléofilament : 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 50000 fois plus court que la molécule déroulée. 31
Collier de perles = nucléofilament (raccourcissement de 4.5 fois) Doc.22: Niveaux de compaction Fibre de 30nm métaphasique 32
Doc.23: fibre de 30 nm fibre de 30 nm 33
Doc.24: du collier de perle à la fibre de 30 nm 34
Doc.25: Importance de l histone H1 pour la formation de la fibre de 30nm 1.7 tours d ADN autour de l octamère 2 tours d ADN autour de l octamère 35
L euchromatine -L euchromatine peut se présenter sous deux formes : * forme active (transcriptionnellement) =fibre de 11nm = collier de perles. * forme inactive = solénoïde formé sous la contrainte d une histone H1 qui relie deux nucléosomes consécutifs. Son diamètre est de 30nm. - L euchromatine est décondensée pendant l interphase du noyau. - Elle représente la majeure partie du génome et contient les gènes structuraux (gènes codant pour les protéines et les ARN non traduits). - Elle est localisée à l intérieur du nucléoplasme et représente la forme transcriptionnellement active ou activable rapidement de l ADN. L hétérochromatine -La fibre qui la compose est très condensée. Elle apparaît souvent en agrégats et implique de nombreuses autres protéines non-histones et notamment les protéines HP1 (heterochromatin protein 1). - L hétérochromatine ne se décondense pas au cours du cycle cellulaire - Elle est localisée principalement à la périphérie du noyau. On distingue : - L hétérochromatine constitutive, qui contient l ADN satellite, séquences courtes et répétées en tandem un grand nombre de fois. Il existe trois types d ADN satellite (dont les régions centromériques et le bras long du chromosome Y contenant peu de gènes ). L hétérochromatine constitutive contient très peu de gènes et reste transcriptionnellement inerte. - L hétérochromatine facultative a la particularité d être réversible, c est à dire d avoir des gènes transcrits ou non suivant le type de cellulaire ou le stade de développement. 36
Doc.26: Protéines non histones impliquées dans la condensation des chromosomes (eucaryotes et procaryotes) Charnière Bras surenroulés Têtes En présence d ATP la pince se referme autour d une molécule d ADN et peut interagir avec d autres protéines 37
Doc.27: principales SMC Cohésine eucaryote Condensines eucaryotes SMC procaryote 38
Doc.28: Rôle de la cohésine = maintenir ensemble et alignées les 2 chromatides sœurs de la phase S jusqu à l anaphase Condensation du chromosome par les condensines Rôle des condensines: permettre une condensation suffisante pour déplacer les chromosomes sans nœuds ni lésions (niveaux de condensation supérieurs à la fibre de 30 nm). 39
Doc.29: Action concertée des cohésines et condensines lors de la condensation des chromosomes 40
Doc.30: Formation d une rosette à partir de la fibre de 30 nm 41
Doc.31: Interphase: chromatine décondensée, réplication 42
Mitose: condensation et séparation des chromatides sœurs 43
Doc.32: Condensation ADN eucaryote 44
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Doc.33: Organisation d un chromosome métaphasique X et Y au meb 46
Doc.34: Etalement de l ADN en boucles autour du squelette du chromosome (élimination des histones) 47
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C- Protection supplémentaire chez les Eucaryotes : le noyau 49
Doc.35: Streptocoque en fin de division: chromosome «nu» dans le cytosol 50
Cryofracture + meb met Doc.36: Noyau eucaryote 51
ORGANISATION GENERALE DU NOYAU EUCARYOTE -Forme : sphérique dans la majorité des cellules mais parfois ovale (cellules musculaires, entérocytes, fibroblastes) ou polylobée (polynucléaires). - Nombre :dans la majorité des cas les cellules sont uni nucléés, cependant certaines peuvent être binucléées (ex : cartilage, cellules nodales cardiaques, parenchyme hépatique), multinucléées (ex: fibres musculaires striées squelettiques qui sont un syncytium et qui peuvent contenir 10 à 100 noyaux, ostéoclastes qui contiennent 4 à 20 noyaux) ou bien dépourvues de noyau (hématies des mammifères). - Position : elle peut être centrale (lymphocytes, fibroblastes, cellules des glandes endocrines), périphérique (adipocytes, cellules des muscles striés) ou en position basale (cellules des muqueuses et cellules exocrines). Avec un diamètre d environ 5-10μm il occupe 5 à 6% du volume cellulaire (cellule animale). 52