Que signifie chromatine ?

Définition simple: La chromatine est le complexe d'ADN et de protéines contenu dans le noyau cellulaire de cellules eucaryotes (cellules à structure cellulaire complète qui, contrairement aux cellules procaryotes, ont un noyau cellulaire dans lequel l'ADN est emballé). En fonction de l'étroitesse du repliement de l'ADN autour des autres protéines, nous distinguons l'euchromatine et l'hétérochromatine.

Définition chromatine:

La chromatine est la manière dont l'ADN est présenté dans un noyau de cellule. C'est la substance de base des chromosomes eucaryotes, qui correspond à l'association de l'ADN, de l'ARN et des protéines présentes dans le noyau interphase des cellules eucaryotes et constitue le génome de ces cellules. La chromatine désigne en fait un complexe constitué par l'ADN et les protéines chromosomiques (histones et autres). C'est donc de l'ADN filiforme non concentré, présent dans les cellules eucaryotes en interphase. Les protéines sont de deux types: les histones et les protéines non-histones.

Autrement exprimé, la molécule d'ADN est associée à diverses protéines dont les histones qui sont organisées en nucléosomes. La molécule d'ADN s'enroule autour de chaque nucléosome en réalisant deux tours complets et se prolonge jusqu'au nucléosome suivant par un ADN internucléosomique.

On distingue l'euchromatine, décondensée, peu colorable et l'hétérochromatine, condensée, très colorable. Seule l'euchromatine est transcrite.

Des filaments de chromatine:
Des nucléofilaments de chromatine
Ces filaments (nucléofilaments) de chromatine décondensée (euchromatine) d'érythrocytes de poulet sont observés au microscope électronique. Le chaînage des particules de nucléosomes (flèches noires) séparées par les ADN (flèches blanches) se connectant a donné à cette structure son surnom de "collier de perles". L'échelle (barre) est de 50 nm.


Ne pas confondre chromatine et chromatide!

L'ADN est enroulé autour de nombreux nucléosomes sous la forme d'une double hélice. Les nucléosomes sont constitués chacun de huit histones et forment avec la ADN et diverses autres protéines la chromatine. Les trois fonctions de la chromatine sont de compacter l'ADN de manière à ce qu'il s'adapte au noyau de la cellule, de renforcer l'ADN pendant la mitose et la méiose et d'aider à réguler l'expression des gènes.

Les structures de la chromatine rendent les bâtonnets des mammifères nocturnes plus sensibles car ils affectent la propagation de la lumière. Chez les non-mammifères, le phénomène n'a pas encore été étudié.

Les procaryotes, contrairement aux eucaryotes, ont une structure annulaire en ADN. Les eucaryotes ont des chromosomes qui forment la structure de l'ADN.


Chromatine: définitions alternatives:

Plusieurs définitions de la chromatine sont envisagées selon le domaine:Définition simple et concise: La chromatine est un complexe macromoléculaire composé d'une macromolécule d'ADN et de macromolécules de protéines (et d'ARN). Les protéines conditionnent et organisent l'ADN et contrôlent ses fonctions dans le noyau de la cellule.Définition opérationnelle d'un biochimiste: La chromatine est le complexe ADN / protéine / ARN extrait de noyaux d'interphase lysés eucaryotes. La nature des nombreuses substances présentes dans un noyau qui constituera une partie du matériau extrait dépend en partie de la technique utilisée par chaque chercheur. De plus, la composition et les propriétés de la chromatine varient d'un type de cellule à l'autre, lors du développement d'un type de cellule spécifique et à différents stades du cycle cellulaire.L'ADN + histone = définition de la chromatine: La double hélice de l'ADN dans le noyau de la cellule est conditionnée par des protéines spéciales appelées histones. Le complexe protéine / ADN formé est appelé chromatine. L'unité structurelle de base de la chromatine est le nucléosome.

Organisation:

Les unités de base de la chromatine sont les nucléosomes. Celles-ci sont formées d'une longueur d'environ 146 paires de bases (le nombre dépend de l'organisme), associées à un complexe spécifique de huit histones nucléosomiques (histone octamère). Chaque particule a la forme d'un disque de 11 nm de diamètre et contient deux copies de chacune des quatre histones H3, H4, H2A et H2B. Cet octamère forme un noyau protéique autour duquel s'enroule l'hélice de l'ADN (environ 1,8 tour). Entre chacune des associations d'ADN et d'histones, il existe un ADN libre appelé ADN spacer, de longueur variable comprise entre 0 et 80 paires de nucléotides, qui garantit la flexibilité de la fibre de chromatine. Ce type d'organisation permet une première étape de compactage du matériel génétique et donne lieu à une structure similaire à un "collier de perles".

Ensuite, un deuxième niveau d'organisation d'ordre supérieur est la "fibre de 30 nm", composée de groupes de nucléosomes empilés les uns sur les autres, adoptant des arrangements réguliers grâce à l'action de l'histone H1.

Enfin, l'augmentation du tassement de l'ADN se poursuit jusqu'à ce que les chromosomes observés dans la métaphase soient obtenus, c'est le niveau maximum de condensation de l'ADN.

La chromatine est la forme sous laquelle se trouvent les acides nucléiques dans la cellule. Chez les eucaryotes, il est composé d'ADN, d'ARN et de protéines acides et basiques, chez les procaryotes uniquement par ADN. La structure globale de la chromatine dépend de divers facteurs: dans le cycle cellulaire, en fait, par exemple pendant l'interphase, la chromatine est structurellement relâchée pour permettre l'accès à l'ADN et à l'ARN polymérase qui transcrivent et répliquent l'ADN; sur la base des types de gènes transcrits, il est moins condensé lorsqu'il est associé à des gènes actifs sur le plan de la transcription, alors qu'il est encapsulé dans des gènes inactifs; Les modifications histologiques épigénétiques entraînent une modification de la structure de la chromatine.


Histoire:

La chromatine a été découverte en 1880 par Walther Flemming, qui lui a donné ce nom en raison de son affinité pour les colorants. Les histones ont été découverts peu après, en 1884, par Albrecht Kossel. La structure de la chromatine n'a guère progressé jusque dans les années 1970, lorsque les premières observations de fibres de chromatine ont pu être effectuées par microscopie électronique, révélant ainsi l'existence du nucléosome, unité de base de la chromatine, dont la structure détaillée a finalement été résolue par cristallographie aux rayons X en 1997.

Le nom de la chromatine provient de la couleur sombre qu'il reçoit en microscopie optique après la coloration de l'échantillon et signifie littéralement "matière colorée" (ou colorant).


Types de chromatine:

La chromatine peut être trouvée sous deux formes:L'hétérochromatine est une forme inactive condensée située principalement à la périphérie du noyau, qui se colore fortement avec les colorations. En 1928, Emil Heitz, sur la base d'observations histologiques, définit l'hétérochromatine (HC) comme les segments chromosomiques apparaissant très condensés et sombres dans le noyau en interphase. En fait, la chromatine est formée par un enchevêtrement de fibres dont le diamètre varie non seulement au cours du cycle cellulaire, mais dépend également de la région du chromosome observée.L'euchromatine est une forme de chromatine légèrement compactée à forte concentration en gènes, forme active, constituée d'une fibre dont le diamètre correspond à celui du nucléosome, segment d'ADN double brin enroulé autour des homodimères des histones H2A, H2B, H3 et H4. Dans l'euchromatine inactive, cette fibre s'enroule sur elle-même grâce aux histones H1 pour former le solénoïde. L'interaction avec d'autres protéines non histones (topoisomérase II, protéines d'échafaudage, laminines...) entraîne une plus grande organisation. Quant à l'hétérochromatine, la fibre qui la constitue est plus condensée et apparaît souvent formée d'agrégats. Leur formation nécessite de nombreuses protéines supplémentaires, notamment les protéines HP1 (Protéine d'hétérochromatine 1 ou protéine d'hétérochromatine 1).
La chromatine (hétérochromatine et euchromatine) d'un noyau cellulaire:
La chromatine avec hétérochromatine et euchromatine d'un noyau cellulaire
La chromatine se divise en hétérochromatine et euchromatine dans un schéma complet d'un noyau de cellule humaine. Elle baigne dans le nucléoplasme situé autour du nucléole.

L'hétérochromatine peut être de deux types différents, la richesse en ADN satellite détermine à la fois le caractère permanent ou réversible de l'hétérochromatine, ainsi que ses propriétés de polymorphisme et de coloration:Le constitutif, identique pour toutes les cellules de l'organisme et qui manque d'informations génétiques, inclut les télomères et les centromères du chromosome qui n'expriment pas leur ADN. L'hétérochromatine constitutive contient un type particulier d'ADN appelé ADN satellite, formé d'un grand nombre de courtes séquences répétées en tandem. Les principaux types de cet ADN sont les ADN satellites alpha et les ADN satellites I, II et III. Ces séquences d'ADN satellites sont capables de se replier sur elles-mêmes et peuvent jouer un rôle important dans la formation de la structure extrêmement compacte de l'hétérochromatine constitutive. L'hétérochromatine constitutive est stable et conserve ses propriétés hétérochromatiques à tous les stades de développement et dans tous les tissus. L'hétérochromatine constitutive est hautement polymorphe, probablement en raison de l'instabilité de l'ADN satellite. Ce polymorphisme peut affecter non seulement sa taille, mais également l'emplacement de l'hétérochromatine et n'a apparemment pas d'effet phénotypique. L'hétérochromatine constitutive est fortement colorée dans la technique de bande C, ce qui résulte d'une renaturation très rapide de l'ADN satellite après dénaturation.Le facultatif, différent selon les types de cellules, contient des informations sur tous les gènes non exprimés ou pouvant l'être à un moment donné. Comprend l'ADN satellite et le corpuscule de Barr. L'hétérochromatine facultative est caractérisée par la présence de séquences répétées de type LINE. Ces séquences, dispersées dans le génome, pourraient favoriser la propagation d'une structure de chromatine condensée. L'hétérochromatine facultative est réversible, son état hétérochromatique dépend du stade de développement et du type de cellule. Deux exemples de ce type d'hétérochromatine sont le chromosome X inactif (corps de Barr) des cellules somatiques femelles et la vésicule sexuelle inactive au stade pachytène de la méiose masculine. L'hétérochromatine facultative n'est pas particulièrement riche en ADN satellite et n'est donc pas polymorphe. L'hétérochromatine facultative n'est jamais colorée dans la technique de la bande C.
Il a été constaté que le phénomène d'ARN interférant participe fréquemment à la formation d'hétérochromatine. Par exemple, dans Schizosaccharomyces pombe, l'hétérochromatine est formée dans le centromère, les télomères et les loci de type conjugal. 3 La formation d'hétérochromatine dans le centromère dépend du mécanisme d'interférence de l'ARN (ARNi). Des ARN double brin complémentaires sont produits à partir de séquences répétées situées dans le centromère, qui induisent l'ARNi puis la méthylation de la lysine 9 histone 3 et la liaison de Swi6 (protéine structurale de l'hétérochromatine, homologue à HP1 chez les mammifères).


Propriétés de l'hétérochromatine:

Malgré les différences décrites ci-dessus, l'hétérochromatine constitutive et l'hétérochromatine facultative ont des propriétés très similaires:L'hétérochromatine est condensée. C'est en fait ce qui définit l'hétérochromatine et s'applique donc à l'hétérochromatine constitutive et facultative. Cette forte condensation la rend fortement chromophile et inaccessible à la DNAse I et, en général, aux autres enzymes de restriction.
L'ADN de l'hétérochromatine est répliqué plus tard. L'incorporation de plusieurs analogues de nucléotides montre que l'ADN des deux types d'hétérochromatine se réplique tardivement. Ceci est le résultat, d'une part, de son degré élevé de condensation, qui empêche le mécanisme réplicatif d'accéder facilement à l'ADN et, d'autre part, de son emplacement dans un domaine nucléaire périphérique pauvre en éléments actifs.
L'ADN de l'hétérochromatine est méthylé:L'ADN d'hétérochromatine constitutif est fortement méthylé dans les cytosines. Par conséquent, un anticorps anti-5-méthyl cytosine marque fortement toutes les régions de ce type d'hétérochromatine.En ce qui concerne l'hétérochromatine facultative, la méthylation de son ADN est plus faible, bien que les analyses par enzymes de restriction sensibles à la méthylation révèlent une méthylation importante des îlots CpG, situés spécifiquement dans les régions qui contrôlent l'expression des gènes.
Dans l'hétérochromatine, les histones sont hypoacétylées. Les histones peuvent subir une série de modifications post-traductionnelles à leurs extrémités N-terminales qui peuvent affecter l'activité génétique de la chromatine:L'hypoacétylation des queues N-terminales des histones, principalement dans les lysines, est associée à la chromatine inactive. En revanche, les histones hyperacétylées sont caractéristiques de la chromatine active.L'acétylation/désacétylation des histones est un mécanisme absolument essentiel pour le contrôle de l'expression des gènes. Il existe de nombreux facteurs de transcription qui manifestent une activité de l'histone acétyltransférase (HAT, Histone Acetyl Transferase) ou de l'histone désacétylase (HDAc ou Histone De-Acétylase).
Les histones d'hétérochromatine sont méthylées dans la lysine 9. La méthylation de la lysine 9 de l'histone H3 (H3-K9) semble être étroitement liée au processus d'hétérochromatisation du génome, à la fois dans la formation d'hétérochromatine constitutive comme facultatif.
L'hétérochromatine est inactive sur le plan de la transcription:Contrairement à ce qui se passe chez Drosophila, l'hétérochromatine constitutive humaine ne contient pas de gènes et l'incorporation d'uridine tritiée dans des cultures cellulaires ne produit aucun type de marquage à ce niveau.L'hétérochromatine facultative est relativement pauvre en gènes et ceux-ci ne sont généralement pas transcrits à l'état d'hétérochromatine.
L'hétérochromatine ne participe pas à la recombinaison génétique:Il est généralement admis que l'hétérochromatine constitutive ne participe pas à la recombinaison génétique. L'absence d'appariement préalable des régions homologues d'hétérochromatine pourrait être due au polymorphisme caractéristique de ces régions qui rendrait la tâche difficile, bien que cela ne soit pas impossible. L'hétérochromatine constitutive agit également en réprimant la recombinaison dans les régions euchromatines adjacentes.En ce qui concerne l'hétérochromatine facultative, elle ne participe pas non plus à la recombinaison méiotique lorsqu'elle est sous sa forme inactive.

Fonctions de l'hétérochromatine:

Pendant longtemps, le rôle concret de l'hétérochromatine a été un mystère, car son polymorphisme ne semblait pas avoir d'effet fonctionnel ou phénotypique:Rôle de l'hétérochromatine dans l'organisation des domaines nucléaires:L'hétérochromatine et l'euchromatine occupent différents domaines nucléaires. L'hétérochromatine est généralement située à la périphérie du noyau ancré dans l'enveloppe-nucleaire.html" class=mot>enveloppe nucléaire. En revanche, la chromatine active est située dans une position plus centrale.La localisation préférentielle de l'hétérochromatine par rapport à l'enveloppe nucléaire peut être due à l'interaction de la protéine HP1 avec le récepteur de la lamina B, composant de la lamina nucléaire, une structure protéique adjacente à l'enveloppe nucléaire par sa face interne.La position périphérique de l'hétérochromatine concentre les éléments actifs dans la partie centrale du noyau, ce qui permet à l'euchromatine active de se répliquer et de transcrire avec une efficacité maximale.
Rôle de l'hétérochromatine dans la fonction du centromère. Chez la plupart des eucaryotes, les centromères sont entourés d'une masse considérable d'hétérochromatine. Il a été suggéré que l'hétérochromatine centromérique serait nécessaire à la cohésion des chromatides soeurs et qu'elle permettrait la disjonction normale des chromosomes mitotiques:Dans la levure Schizosaccharomyces pombe, l'homologue Swi6 de la protéine HP1 est absolument essentiel à la cohésion efficace des chromatides soeurs au cours de la division cellulaire.Les expériences dans lesquelles la suppression de l'ADN satellite a été réalisée montrent qu'une grande région de répétitions de ce type d'ADN est essentielle au bon fonctionnement du centromère.
On suppose que l'hétérochromatine centromérique pourrait, de facto, créer un compartiment en augmentant la concentration locale de la variante centromérique des histones, CENP-A, et en favorisant l'incorporation de CENP-A à la place de l'histone. H3 pendant la réplication.

Rôle de l'hétérochromatine dans la répression des gènes (régulation épigénétique) qui peut être contrôlée à deux niveaux:Premièrement, au niveau local ou au contrôle de la transcription, grâce à la formation de complexes de transcription locaux. Ce niveau implique des séquences d'ADN relativement petites liées à des gènes.À un niveau plus global, auquel cas on dit qu'il existe un contrôle de la transcriptibilité. Ce contrôle implique des séquences plus longues représentant un grand domaine de la chromatine, qui peut être à l'état actif ou inactif. Dans ce cas, c'est l'hétérochromatine qui semble être impliquée. Les gènes que l'on trouve généralement dans l'euchromatine peuvent donc être réduits au silence lorsqu'ils sont proches d'un domaine de l'hétérochromatine.

Les mécanismes d'inactivations sont:Mécanisme d'inactivation en cis: Les réarrangements chromosomiques peuvent provoquer la juxtaposition d'une région euchromatique à une région hétérochromatique. Au moment où le réarrangement supprime certaines barrières qui protègent l'euchromatine, la structure hétérochromatique est capable de se propager en cis à l'euchromatine adjacente, inactivant les gènes qui s'y trouvent. C'est le mécanisme observé dans la variabilité à effet de position (PEV) chez Drosophila et dans l'inactivation de certains transgènes chez la souris.Mécanisme d'inactivation en trans: Lors de la différenciation cellulaire, certains gènes actifs peuvent être transposés dans un domaine nucléaire hétérochromatique, ce qui les rend inactifs. Ce mécanisme est celui qui a été proposé pour expliquer la co-localisation dans les noyaux des lymphocytes de la protéine IKAROS avec l'hétérochromatine centromérique et des gènes dont l'expression est contrôlée.
L'euromatine est disséminée par le reste du noyau (moins de condensation), se colore faiblement avec les colorations (sa plus grande coloration se produit lors de la mitose et n'est pas visible au microscope optique). Il représente la forme active de la chromatine dans laquelle le matériel génétique des molécules d'ADN est en train d'être transcrit en molécules d'ARNm, c'est donc à cet endroit que se trouvent la plupart des gènes actifs.

Rôle de la chromatine dans l'expression des gènes:

La chromatine est une structure dynamique qui adapte son état de compactage et d'emballage afin d'optimiser les processus de réplication, de transcription et de réparation de l'ADN, joue un rôle régulateur fondamental dans l'expression des gènes. Les différents états de compactage peuvent être associés (mais pas de manière univoque) au degré de transcription présenté par les gènes présents dans ces zones. La chromatine est, en principe, fortement répressive pour la transcription, car l'association de l'ADN avec différentes protéines empêche la procession de différentes ARN polymérases. Par conséquent, il existe une grande variété de machines de remodelage de la chromatine et de modification de l'histone.

Il existe actuellement ce que l'on appelle le "code d'histone". Différentes histones peuvent subir des modifications post-traductionnelles, telles que la méthylation, l'acétylation, la phosphorylation, généralement exprimées en résidus de lysine ou d'arginine. L'acétylation est associée à l'activation de la transcription, car lors de l'acétylation d'une lysine, la charge positive globale de l'histone diminue, ce qui signifie qu'elle a une plus faible affinité pour l'ADN (chargé négativement). En conséquence, l'ADN est moins lié, ce qui permet d'accéder à la machinerie de transcription. En revanche, la méthylation est associée à une répression transcriptionnelle et à une liaison plus forte de l'ADN-histone (bien que cela ne soit pas toujours vrai). Par exemple, chez S. pombe de levure, la méthylation au niveau du résidu lysine 9 de l'histone 3 est associée à la répression de la transcription sur l'hétérochromatine, tandis que la méthylation au niveau du résidu lysine 4 favorise l'expression génique.

Les enzymes responsables des modifications des histones sont les histones acétylases et désacétylases, ainsi que les histones méthylases et les déméthylases, qui forment différentes familles dont les membres sont responsables de la modification d'un résidu particulier de la longue queue des histones.

Outre les modifications des histones, il existe également des machines de remodelage de la chromatine, telles que SAGA, qui sont responsables du repositionnement des nucléosomes, soit en les déplaçant, en les faisant pivoter, voire en les désassemblant partiellement, en retirant certaines des histones constitutives du nucléosome, puis en les retournant. placer. En général, les mécanismes de remodelage de la chromatine sont essentiels au processus de transcription chez les eucaryotes, car ils permettent l'accès et la processivité des polymérases.

Une autre forme de marquage de la chromatine comme "inactive" peut se produire au niveau de la méthylation de l'ADN, dans les cytosines appartenant aux dinucléotides CpG. En général, la méthylation de l'ADN et de la chromatine sont des processus synergiques car, par exemple, lorsque l'ADN est méthylé, il existe des enzymes "méthylantes" d'histones capables de reconnaître les cytosines méthylées et les méthylates d'histones proches. De même, les enzymes qui nuisent à l'ADN peuvent reconnaître les histones méthylées et poursuivre ainsi la méthylation au niveau de l'ADN.

Toutes ces modifications font partie de la famille des modifications épigénétiques.


Organisations alternatives à la chromatine:

Au cours de la spermiogenèse métazoaire, la chromatine de la spermatide est remodelée en une structure élargie, plus proche de la cristalline et plus proche du cristal. Ce processus est associé à la cessation de la transcription et implique l'échange de protéines nucléaires. Les histones sont principalement déplacées et remplacées par des protamines (petites protéines riches en arginine). Il est proposé que dans la levure, les régions dépourvues d'histones deviennent très fragiles après la transcription; HMO1, une protéine HMGB, aide à la stabilisation de la chromatine sans nucléosomes.


Chromatine et mutations:

La charge de mutations est plus importante dans les zones où la chromatine est réprimée et dans les régions où la réplication est tardive, ce qui a également été observé dans le cancer humain.


Réparation de la chromatine et de l'ADN:

Le conditionnement de l'ADN eucaryote dans la chromatine constitue une barrière à tous les processus basés sur l'ADN qui nécessitent le recrutement d'enzymes sur leurs sites d'action. Pour permettre le processus cellulaire critique de la réparation de l'ADN, la chromatine doit être remodelée. Chez les eucaryotes, les complexes de remodelage de la chromatine dépendant de l'ATP et les enzymes modifiant l'histone sont deux facteurs prédominants employés pour réaliser ce processus de remodelage.

La relaxation de la chromatine se produit rapidement sur le site d'un dommage à l'ADN. Ce processus est initié par la protéine PARP1 qui commence à apparaître en moins d'une seconde aux dommages de l'ADN, avec une demi-accumulation maximale dans les 1,6 secondes qui suivent l'endommagement. Ensuite, le remodeleur de chromatine Alc1 se fixe rapidement au produit de PARP1 et achève l'arrivée au dommage de l'ADN dans les 10 secondes suivant le dommage. Environ 10% de la relaxation maximale de la chromatine, probablement due à l'action de Alc1, se produit en 10 secondes. Ceci permet ensuite le recrutement de l'enzyme de réparation de l'ADN MRE11, pour initier la réparation de l'ADN, dans les 13 secondes.

γH2AX, la forme phosphorylée de H2AX est également impliquée dans les premières étapes conduisant à la décondensation de la chromatine après l'apparition de dommages à l'ADN. La variante d'histone H2AX constitue environ 10% des histones H2A dans la chromatine humaine. γH2AX (H2AX phosphorylée sur la sérine 139) peut être détectée dès 20 secondes après l'irradiation des cellules (avec formation de cassure d'ADN double brin), et une accumulation à moitié maximale de γH2AX se produit en une minute. L'étendue de la chromatine avec le γH2AX phosphorylé est d'environ deux millions de paires de bases au site d'une rupture d'ADN à double brin. γH2AX ne provoque pas, en soi, de décondensation de la chromatine, mais dans les 30 secondes suivant l'irradiation, la protéine RNF8 peut être détectée en association avec γH2AX. [23] RNF8 induit une décondensation étendue de la chromatine, grâce à son interaction ultérieure avec CHD4, un composant du complexe de remodelage des nucléosomes et de la désacétylase NuRD.

Après avoir subi une relaxation consécutive à un dommage à l'ADN, suivi d'une réparation de l'ADN, la chromatine retrouve un état de compactage proche de son niveau d'avant la lésion au bout d'environ 20 minutes.

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