Chromosomes et Structure de la Chromatine d’Ordre supérieur

La chromatine devient fortement condensée pendant la mitose pour former les chromosomes métaphasiques compacts qui sont distribués aux noyaux filles (voir Figure 4.12). Pendant l’interphase, une partie de la chromatine (hétérochromatine) reste fortement condensée et est inactive transcriptionnellement; le reste de la chromatine (euchromatine) est décondensé et distribué dans tout le noyau (Figure 8.15). Les cellules contiennent deux types d’hétérochromatine. L’hétérochromatine constitutive contient des séquences d’ADN qui ne sont jamais transcrites, telles que les séquences satellites présentes au niveau des centromères. L’hétérochromatine facultative contient des séquences qui ne sont pas transcrites dans la cellule examinée, mais qui sont transcrites dans d’autres types cellulaires. Par conséquent, la quantité d’hétérochromatine facultative varie en fonction de l’activité transcriptionnelle de la cellule. Une grande partie de l’hétérochromatine est localisée à la périphérie du noyau, probablement parce que l’une des principales protéines associées à l’hétérochromatine se lie à une protéine de la membrane nucléaire interne.

Figure 8.15

Hétérochromatine dans les noyaux d’interphases. L’euchromatine est distribuée dans tout le noyau. L’hétéro-chromatine est indiquée par des pointes de flèche et le nucléole par une flèche. (Avec l’aimable autorisation d’Ada L. Olins et Donald E. Olins, Laboratoire national d’Oak Ridge.) (plus…)

Le phénomène d’inactivation du chromosome X fournit un exemple du rôle de l’hétérochromatine dans l’expression des gènes. Chez de nombreux animaux, y compris les humains, les femelles ont deux chromosomes X et les mâles un chromosome X et un chromosome Y. Le chromosome X contient des milliers de gènes qui ne sont pas présents sur le chromosome Y beaucoup plus petit (voir Figure 4.26). Ainsi, les femelles ont deux fois plus de gènes du chromosome X que les mâles. Malgré cette différence, les cellules femelles et mâles contiennent des quantités égales de protéines codées par les gènes du chromosome X. Cela résulte d’un mécanisme de compensation posologique dans lequel l’un des deux chromosomes X des cellules femelles est inactivé en étant converti en hétérochromatine au début du développement. Par conséquent, une seule copie du chromosome X est disponible pour la transcription dans les cellules femelles ou mâles. Le mécanisme de l’inactivation du chromosome X est fascinant mais pas encore entièrement compris; il semble impliquer l’action d’un ARN régulateur qui recouvre le chromosome X inactif et induit sa conversion en hétérochromatine.

Bien que la chromatine interphasique semble être uniformément distribuée, les chromosomes sont en fait disposés de manière organisée et divisés en domaines fonctionnels discrets qui jouent un rôle important dans la régulation de l’expression des gènes. La distribution non aléatoire de la chromatine dans le noyau d’interphase a été suggérée pour la première fois en 1885 par C. Rabl, qui a proposé que chaque chromosome occupe un territoire distinct, avec des centromères et des télomères attachés aux côtés opposés de l’enveloppe nucléaire (Figure 8.16). Ce modèle de base de l’organisation des chromosomes a été confirmé près de cent ans plus tard (en 1984) par des études détaillées des chromosomes polytènes dans les glandes salivaires de la Drosophile. Plutôt que de s’enrouler aléatoirement les uns autour des autres, chaque chromosome occupait une région discrète du noyau (Figure 8.17). Les chromosomes sont étroitement associés à l’enveloppe nucléaire dans de nombreux sites, leurs centromères et télomères étant regroupés aux pôles opposés.

Figure 8.16

Organisation des chromosomes. Reproduction de croquis dessinés à la main de chromosomes dans des cellules de salamandre. (A) Chromosomes complets. (B) uniquement les télomères (situés au niveau de la membrane nucléaire). (Tiré De C. Rabl, 1885. Morphologisches Jahrbuch 10:214.)

Figure 8.17

Organisation des chromosomes de la Drosophile. (A) Un modèle du noyau, montrant les cinq bras chromosomiques de différentes couleurs. Les positions des télomères et des centromères sont indiquées. (B) Les deux bras du chromosome 3 sont représentés pour illustrer la topologie (plus…)

Les chromosomes individuels occupent également des territoires distincts à l’intérieur des noyaux des cellules de mammifères (figure 8.18). Les gènes activement transcrits semblent être localisés à la périphérie de ces territoires, adjacents aux canaux séparant les chromosomes. On pense que les ARN nouvellement transcrits sont libérés dans ces canaux entre les chromosomes, où le traitement de l’ARN a lieu.

Figure 8.18

Organisation des chromosomes dans le noyau des mammifères. (A) Des sondes à séquences répétées sur le chromosome 4 ont été hybridées à une cellule humaine. Les deux copies du chromosome 4, identifiées par fluorescence jaune, occupent des territoires distincts dans le noyau. (B) (plus…)

Comme l’ADN des chromosomes métaphasiques (voir Figure 4.13), la chromatine dans les noyaux d’interphases semble être organisée en domaines en boucle contenant environ 50 à 100 kb d’ADN. Un bon exemple de cette organisation de domaines en boucle est fourni par les chromosomes hautement transcrits des ovocytes d’amphibiens, dans lesquels des régions d’ADN activement transcrites peuvent être visualisées sous forme de boucles étendues de chromatine décondensée (Figure 8.19). Ces domaines de chromatine semblent représenter des unités fonctionnelles discrètes, qui régulent indépendamment l’expression des gènes.

Figure 8.19

Domaines de chromatine en boucle. Micrographie légère d’un chromosome d’ovocytes d’amphibiens, montrant des boucles décondensées de chromatine activement transcrite s’étendant à partir d’un axe de chromatine non transcrite fortement condensée. (Avec l’aimable autorisation de Joseph Gall, Institut Carnegie.) (plus…)

Les effets de l’organisation chromosomique sur l’expression des gènes ont été démontrés par diverses expériences montrant que la position d’un gène dans l’ADN chromosomique affecte le niveau auquel le gène est exprimé. Par exemple, l’activité transcriptionnelle des gènes introduits chez les souris transgéniques dépend de leurs sites d’intégration dans le génome de la souris. Cet effet de la position chromosomique sur l’expression des gènes peut être atténué par des séquences appelées régions de contrôle des locus, qui se traduisent par un niveau élevé d’expression des gènes introduits quel que soit leur site d’intégration. Contrairement aux améliorateurs transcriptionnels (voir chapitre 6), les régions de contrôle des locus ne stimulent que les gènes transfectés qui sont intégrés à l’ADN chromosomique; ils n’affectent pas l’expression des ADN plasmidiques non intégrés dans les dosages transitoires. De plus, plutôt que d’affecter les promoteurs individuels, les régions de contrôle des locus semblent activer de grands domaines chromosomiques, probablement en induisant des altérations à longue distance de la structure de la chromatine.

La séparation entre les domaines chromosomiques est maintenue par des séquences limites ou des éléments isolants, qui empêchent la structure de la chromatine d’un domaine de se propager à ses voisins. De plus, les isolants agissent comme des barrières empêchant les améliorateurs d’un domaine d’agir sur les promoteurs situés dans un domaine adjacent. Comme les régions de contrôle des locus, les isolateurs ne fonctionnent que dans le contexte de l’ADN chromosomique, suggérant qu’ils régulent la structure de la chromatine d’ordre supérieur. Bien que les mécanismes d’action des régions de contrôle des locus et des isolants restent à élucider, leurs fonctions indiquent clairement l’importance de l’organisation de la chromatine d’ordre supérieur dans le contrôle de l’expression des gènes eucaryotes.