Le nucléosome
Les nucléosomes forment un complexe d'ADN et d'histones. C'est le premier niveau d'encapsidation de l'ADN dans le noyau des cellules eucaryotes. La séquence de paquets de nucléosomes qui contiennent l'ADN dans la chromatine sous forme de fibre de 30 nm d'épaisseur est appelée structure solénoïde.
Les nucléosomes de chromatine :
Un nucléosome est la sous-unité répétitive de base de la chromatine, encapsulée dans le noyau cellulaire. La chromatine fermée (hétérochromatine) est dense et la transcription est impossible. La chromatine ouverte (euchromatine) est lâche et la transcription est possible.
Généralités
Un nucléosome, ou parfois nucléoplasme, est une unité structurelle d'ADN associée à des histones; il est l'unité fondamentale de la chromatine, qui est la forme d'organisation de l'ADN dans les cellules eucaryotes. Les nucléosomes sont formés d'un octamère de protéines histones et d'environ 146 paires de bases ADN azotées.
C'est une particule discoïdale de 11 nm de diamètre constituant la fibre chromatique. Les nucléosomes sont formés d'un octamère formé de deux molécules de chacune des histones H2A, H2B, H3 et H4 (chacun est en double exemplaire) autour duquel s'enroule en 2 tours la double hélice d'ADN. Les nucléosomes sont espacés par de l'ADN nu, ce qui donne à la structure une forme de collier de perle. Les histones sont des protéines riches en acides aminés basiques et hautement conservées à l'échelle phylogénétique.
Propriétés
Le nucléosome est ainsi une particule sphéroïde de 11 nm de diamètre, formée d'un noyau protéique de 8 histones et d'une hélice d'ADN formant deux tours. C'est l'unité fondamentale d'empaquetage de l'ADN, donnant à la chromatine l'apparence d'un collier de perles. Chaque nucléosome est séparé du suivant par un segment d'ADN internucléosomique sans histones. Le noyau protéique est formé des histones H2A, H2B, H3 et H4, chacune en double exemplaire; ce sont des protéines très conservées au cours de l'évolution. Selon certains auteurs, un nucléosome comprend aussi l'ADN internucléosomique qui le relie au suivant.
Les nucléosomes forment des amas d'ADN de sorte qu'ils ne peuvent pas être transcrits. Dans cet état inactif, les nucléosomes ont une apparence semblable à celle d'un nucléosome dans une liaison de brin d'ADN (hétérochromatine). Entre deux nucléosomes consécutifs étendus se trouve un fragment d'ADN, appelé "ADN spacer." Chaque octamère d'histones est entouré de 1,7 tour d'ADN double brin. Une autre histone (H1) s'étend sur la molécule d'ADN en dehors de la partie centrale du nucléosome.
Pour que la transcription intervienne, l'ADN doit être séparé des histones. À l'état non plié, il est connu sous le nom de euchromatine.
Les gènes résident dans l'ADN et contiennent des régions appelées exons qui sont traduites en protéines et d'autres introns dits dispersés entre les exons et non transcrits en protéines. L'enroulement de la molécule d'ADN autour du nucléosome réduit jusqu'à 6 fois la longueur de la chaîne.
Structure
Le nucléosome est l'unité d'ADN et un octamère d'histone. L'octamère est constitué de deux copies des protéines H2A, H2B, H3 et H4. Dans ce cas, 147 paires de bases d'ADN sont enroulées sous la forme d'un super-hélix gaucher. La torsion de l'ADN autour du complexe d'histones réduit la longueur de l'ADN d'un septième de 68 nm à environ 10 nm.
Un nucléosome avec plusieurs histones :
Le nucléosome d'un noyau. Les histones H2A, H2B, H3 et H4 sont colorées. Autour d'elles, la chaîne d'ADN est observée en couleur violette.
En digérant la chromatine avec la MNase (endonucléase qui digère l'ADN libre), on obtient des octamères d'histone autour desquels un morceau d'ADN de 147 paires de bases est enroulé, ainsi que d'autres protéines de liaison à l'ADN et leurs fragments d'ADN liés. Cette unité est appelée particule centrale de nucléosome (NCP) ou particule de base de nucléosome.
Dans la chromatine, les particules centrales de nucléosomes sont liées par des lieurs d'ADN de différentes longueurs. Avec l'histone H1 de liaison, on appelle l'ADN liant, l'ADN qui inclue la particule centrale et le nucléosome, sous le nom de chromatosome formé de nucléofilaments. L'histone de liaison H1 provoque une condensation des nucléosomes individuels et conduit à une organisation plus compacte de la chromatine, qui pourrait être identifiée au moins in vivo en tant que fibre de 30 nm.
La structure du nucléosome a été élucidée dans les années 1980 grâce aux travaux pionniers du groupe d'Aaron Klug. Une analyse de la structure aux rayons X a montré que dans la particule centrale, un tétramère de (H3)2(H4)2 et deux dimères des histones H2A-H2B sont présents.
Découverte
La découverte du nucléosome (comme premier niveau d'encapsidation de l'ADN dans le noyau des cellules eucaryotes) par Ada et Donald Olins dans des micrographies électroniques de noyaux de cellules gonflées et présentée pour la première fois en 1973 sous le nom de "ν-body" ("nouvelle particule") à la troisième réunion annuelle de l'"American Society for Cell Biology", la forme hélicoïdale (structure du solénoïde) est presque devenue immédiatement accepté comme unité de conditionnement élémentaire de l'ADN dans la chromatine.
En 1974, Roger Kornberg découvrit le nucléosome et les tests qu'il utilisa étaient les suivants :
- La chromatine contient environ le même nombre de molécules d'histone H2a, H2b, H3 et H4 et pas plus de la moitié de H1.
- Le H1 réside en dehors de la particule nucléaire du nucléosome, il relie l'ADN de liaison qui relie une particule du nucléosome à la particule suivante.
- La cristallographie aux rayons X indique qu'il existe dans la chromatine une structure régulière qui se répète tous les 100 À sur la fibre. Ce même schéma est observé lorsque l'ADN purifié est mélangé à des quantités équimolaires d'histones, à l'exception de H1.
- Des micrographies électroniques de chromatine révèlent qu'elle est constituée de particules d'environ 100 Å de diamètre, reliées par de l'ADN nu (comme un collier de perles) et qu'elles sont apparemment responsables du diagramme à rayons X.
- En contrôlant le temps de digestion de la chromatine avec la nucléase micrococcique (qui rompt le double brin de l'ADN), on obtient des fragments dont l'ADN a toujours des tailles multiples d'environ 200 paires de bases (quantifiées par des expériences d'électrophorèse sur gel).
- Des expériences de réticulation indiquent que les histones H3 et H4 s'associent pour former l'hétérotétramère (H3)2(H4)2.
L'année 1 974 est aujourd'hui considérée comme l'année de naissance de l'épigénétique moléculaire.
Les observations de Kornberg l'ont amené à conclure que le nucléosome est formé par l'octamère (H2A)2(H2B)2(H3)2(H4)2, en plus d'environ 200 paires de bases d'ADN. En contact direct avec le centre de l'octamère (noyau), il y a 140–147 paires de bases. Entre deux octamères adjacents, le brin d'ADN a 20 à 100 pb.
Aaron Klug (prix Nobel 1982 pour l'analyse de la structure cristalline de complexes protéine / acide nucléique) a effectué des travaux sur la structure des nucléosomes à Londres au Medical Research Council. Ce travail a abouti en 1984 avec une résolution encore relativement faible à la première suggestion de structure. Les travaux ont depuis été systématiquement avancés par Timothy Richmond, qui faisait déjà partie du groupe Klug 1984 à la première proposition de structure, à l'Institut de biologie moléculaire et de biophysique de l'ETH Zurich. En 1997, le groupe de Richmond a publié une structure du nucléosome avec une résolution de 2,8 Â et en 2002 a suivi la publication de la structure avec une résolution de 1,9 Â.
En 2005, le groupe de Richmond a publié une structure cristalline aux rayons X du tétranucléosome.
En rapport avec "nucléosome"
Un nucléofilament est le constituant de forme filamenteuse de la chromatine des chromosomes.
La chromatine est un complexe d'ADN, d'ARN et de protéines qui forme les chromosomes dans le noyau des cellules eucaryotes.
Un chromatosome est une unité structurelle de la chromatine constituée d'ADN, d'octamères et d'histones H1.
Le nucléoplasme, centroplasme ou caryoplasme, est une zone, souvent centrale, du cytoplasme des procaryotes, contenant le génome (cette zone est parfois nommée...