Structure des génomes eukaryotes Flashcards
bases puriques
A et G
bases pyrimidiques
T , U et C
niveaux de condensation de l’ADN chez les eucaryotes (du moins condensé au plus condensé)
1/ double hélice ADN (2nm)
2/ nucléosome (11 nm)
3/ solénoïde (30 nm)
4/ euchromatine (300 nm)
5/ hétérochromatine (700 nm)
6/ chromosome (1400 nm)
nucléosome
− 11 nm de diamètre
− un nucléosome traité par une nucléase + sels révèlent un octamère d’histones + des fragments d’ADN
− les fragments d’ADN (146 pb) font 1.64 autour de l’octamère d’histones
− présence également d’ADN linker (20-60 pb) qui relie 2 nucléosomes entre eux
histones
− petites protéines basiques de 100 - 150 aa
− 110 Da/aa => 11-20 kDa / histone
− Riche proportion en aa basiques (lysine, arginine) : 20-30% de lysine principalement aux extrémités Nter et Cter dirigées vers l’extérieur des nucléosomes
− aa basiques = les histones sont chargées (+) ce qui permet une intéraction avec l’ADN chargé (−)
− l’histone h1 qui n’est pas dans le nucléosome vient stabiliser / verrouiller la structure du nucléosome
=> nucléosome + histone h1 = chromatosome
solénoïde
− enroulement de 6 nucléosomes avec les histones h1 au centre de façon à former un tube creux de forme hexagonale de 30nm de diamètre
euchromatine
− chromatine sous forme décondensée
− 300 nm de diamètre
− 90 % des gènes exprimés sont présents sous cette forme
hétérochromatine constitutive
− forme condensée constante de 700 nm de diamètre
− concerne principalement les centromères et les télomères
Passage de l’euchromatine à l’hétrochromatine transitoire
− Pour passer aux formes plus condensées, le solénoïde va former des boucles autour de protéines d’échafaudage (les scaffold proteins) qui elles-même forment des spirales
Autres Protéines agissant sur la structure de l’ADN
− SMC proteins : protéines de maintien de la structure chromosomique = cohésines ou condensines
− HMG proteins : protéines chromatidiennes (non histones) qui se lient spécifiquement à l’ADN et le compacte en resserrant les espaces
− protéines chaperones : interagissent avec histones h2A / h2B pour relâcher le dimère afin de permettre la transcription, puis remise en place du dimère
=> ex: FACT = faacilitate acid chromatine transcription
− complexes remodeleurs de la chromatines : très gros consommateurs d’ATP qui induisent des chgts conformationnels des nucléosomes
mise en évidence de l’ADN
− coloration au GIEMSA (azure de méthylène + éosine) +> se fixe sur les zones riches en AT
− permet de former un caryotype
distinction d’un chromosome en fonction de l’emplacement du centromère
− télocentrique : bras p inexistant => aspect bâton lors de l’anaphase
− acrocentrique : bras p «_space;bras q => aspect V avec un bras plus court lors de l’anaphase
− métacentrique : bras p ~ bras q => aspect en V avec les 2 bras égaux lors de l’anaphase
gènes à ARNr
− présents sur une excroissance en forme d’épingle à l’extrémité des bras p des chromosomes 13, 14, 15, 21 et 22
centromères
Séquences ADN satellites :
- ADN α-satellite: répétition d’un motif de 171 pb. Tous les chromosomes.
=> Nombre de répétitions variables d’un chromosome à l’autre.
=> Permet le recrutement de la
protéine CENP-B (Centromeric protein B).
- ADN β-satellite: répétition d’un motif de 68 paires de bases sur les chromosomes 1, 3 et 9, le bras court des chromosomes acrocentriques (chromosomes 13, 14, 15, 21 et 22) et le bras long du chromosome Y.
- ADN satellite III: répétition d’un motif de 5 paires de bases (GGAAT) sur plusieurs centaines de kpb dans la plupart des chromosomes.
Les nucléosomes des centromères contiennent un variant de
l’histone H3, appelé CENP-A pour Histone H3-like centromeric
protein A, associé aux histones H2A, H2B et H4
=> On peut marquer les centromères via des anti-corps anti-CENP-A liés à un marqueur fluorescent
kinétochores
− 2 plaques par chromosomes
−> plaque interne interagit avec ADN α satellite
−> plaque externe interagit avec micro tubules
Télomères
− La boucle T et le télosome (shelterin complex) :
Les télomères sont constitués d’une répétition de séquence micro-satellite de 6 nucléotides TTAGGG.
L’extrémité 3’ des télomères est simple brin et forme une boucle (T-loop) en s’appariant à une séquence interne du brin complémentaire.
− Le shelterin complex est essentiel pour la formation de la boucle T. Il est constitué des protéines TRF1
et TRF2 (TTAGGG repeat binding factor), TIN2 (TRF1 interacting nuclear protein 2), RAP1 (repressor
activator protein 1) et l’hétérodimère POT1 (protection of telomere 1)-TPP1.
Hétérochromatine constitutive
- Centromères, télomères, séquences répétitives, ADN satellite
- Rôle structural
Hétérochromatine facultative
- Dynamique, en équilibre avec l’euchromatine
- Régulation interphase - mitose
- Régulation épigénétique
=> Expression différentielle des gènes
=> Empreinte parentale
− En interphase, majoritairement chromatine décondensée
− En mitose : majoritairement hétérochromatine condensée
Régulation épigénétique
-Méthylation de l’ADN
-Modifications post-traductionnelles des histones:
=> méthylation, acétylation, phosphorylation, ubiquitination, SUMOylation, poly-ADP-ribosylation
= Marques épigénétiques
(code Histone)
- Utilisation de variants d’histones: isoformes des histones conventionnelles, présentes en très
faible quantité (macroH2A…) - Toutes ces modifications affectent principalement les lysines, arginines ou sérines des histones
Méthylation de l’ADN
− Chez les Vertébrés, environ 70% des ilots CpG de l’ADN sont méthylés sur les résidus de cytosine.
− Associée à la répression de transcription
− Les méthyltransférases de maintenance (DNMTs) permettent la transmission du profil de méthylation aux molécules d’ADN filles après la réplication
− La méthylation de l’ADN est une modification transmissible, réversible et ne modifie pas la séquence des gènes…mais uniquement leur expression
− La distribution des séquences CpG n’est pas uniforme.
=> Les gènes et les sites proches de leur extrémité 5′ contiennent 4 fois plus de séquences CpG que le reste du
génome => rôle dans la régulation négative de l’expression des gènes.
reconnaissance du motif CpG méthylé
− le motif CpG méthylé peut aussi être reconnu par la protéine MBD (Methyl CpG binding domain)
=> perte de l’affinité de fixation de certains facteurs de transcription
=> fixation de protéines qui répriment la transcription (répresseurs)
=> Recrutement de complexes enzymatiques contenant des Histones méthyl-transférases et des histones déacétylases qui modifient les histones.
Acétylation des histones
− acétylation par l’histone acétyl transférase (HAT)
− Désacétylation par l’histone déacétylase (HDAC)
- Modification transmissible et réversible
- L’acétylation neutralise la charge des lysines.
−> favorise l’interaction de l’ADN avec de nombreux complexes - Modification reconnue via un bromo-domaine formé d’un paquet de 4 hélices α pour interagir avec une Acétyl-Lys
- Des groupements bromo en tandem augmentent l’affinité de l’interaction
- Les HAT et HDAC interagissent avec des facteurs de transcription pour permettre leur recrutement au promoteur
Méthylation des histones
- Modification transmissible et réversible
- Rôle dans l’activation et la répression selon les Lys
ou Arg modifiées - Modification qui augmente leur basicité
- Un ou plusieurs groupements méthyl peuvent être
ajoutés (mono, di ou tri-méthylé
− Méthylation avec Histone MéthylTransférases (HMT)
− déméthylation avec Histones déméthylases (HDM)
- Méthylation des Lys est reconnue par un
chromo-domaine contenu dans de nombreuses
protéines se liant à la chromatine – affinité plus
forte pour une tri-méthyl Lys par rapport à un
mono-méthyl Lys
Coopération, Réactions croisées entre méthylation de l’ADN et modifications des histones
- Interactions de HDAC via un domaine MBD sur l’ADN méthylé pour déacétyler les histones
- Interactions de HMT via un domaine MDB pour transférer un méthyl sur les histones
- Les DNMT interagissent avec des protéines possédant un chromo-domaine pour méthyler l’ADN
− L’ensemble de ces modifications sur les histones et sur l’ADN font parties des modifications épigénétiques, qui induisent des changements dans l’expression des gènes sans altération dans
la séquence d’ADN.
Les complexes Polycomb
- Initialement, répresseurs transcriptionnels des gènes
homéotiques chez la Drosophile - Autres gènes dont l’expression est régulée par les complexes Polycomb, facteurs chromatiniens
important pour maintenir l’état transcriptionnel réprimé de leurs gènes cibles. - Ces gènes ciblés sont des répresseurs de gènes contrôlant les mécanismes de prolifération
cellulaire et/ou de différenciation cellulaire - Maintien un état inactivé de la chromatine
par triméthylation de la Lys27 de l’histone H3 (H3K27me3)
=> permet la compaction de la chromatine et inactivation des gènes.
Les foci Polycomb
- Le nombre de foci Polycomb est inférieur au nombre de gènes cibles
=> plusieurs gènes cibles sont associés dans le même complexe répresseur. - Existence d’isolateurs chromatiniens, qui regroupent des gènes, empêchant l’extension des marques répressives à tout le chromosome.
− présence de regroupements d’ADN dans le noyau / nucléoïde appelés territoires
− les isolateurs isolent les différents territoires
groupe trithorax
− Activité inverse du Polycomb (méthyle lysine 4 et déméthyle lysine 27) = H3K4 me3
−> activation de la transcription
compétition groupe trithorax vs groupe polycomb
− Complexes Polycomb :
=> PRC2 est responsable de la modification H3K27me3
=> PRC1 se fixe sur les marques H3K27me3, déméthyle H3K36me2, ubiquitinyle H2AK118 et coopère avec HDAC1 pour la déacétylation de H3K27Ac et la compaction de la chromatine.
− Complexes Trithorax, ses sous-unités sont responsables :
=> des modifications H3K36me2 (Ash1) et H3K4me1 (COMPASS)
=> de la
déméthylation de H3K27me3 et de l’acétylation H3K27ac (TAC1)
=> coopération avec SWI/SNF pour décompacter la chromatine.
− La compétition entre les complexes Polycomb et Trithorax dépend du taux de méthylation des ilots CpG et de la présence de DNA-binding factors (DNA-BF) dans les régions DNA-linker entre les nucléosome
Le code Histone : régulation de l’expression des gènes
3 types cellulaires :
1/ cellules souches embryonnaires : H3K4 = H3K27
2/ type cellulaire A (ex: fibroblastes) : H3K4 «_space;H3K27
3/ type cellulaire A (ex: neuroblastes) : H3K4»_space; H3K27
− Dérégulation des mécanismes épigénétiques => pathologies, dont les cancers
− Par ex, des défauts d’expression des protéines PcG ont été associés à plusieurs types de cancers.
− Existence de cellules souches cancéreuses, responsable des rechutes….
Composition du génome humain
− Le nombre de gènes est estimé entre 20.000 et 30.000 chez les Mammifères.
− La taille moyenne d’un gène est de 25000 bp => environ 1/4 de l’ADN est génique
=> Remarque : l’actine-β est une protéine de 41,7 kDa très conservée. Elle est formée de 375 acides aminés.
=> Selon le code génétique, on a 3 nt pour 1 AA => 1125 nt
=> Or, le gène de l’actine faite 4490 nt => présence de régions non codantes
− Tous les gènes sont composés de séquences codantes (exons) et non codantes (introns, séquences
régulatrices, promoteur).
− La taille et le nombre des exons varient selon les gènes
(le + grand gène est celui de la dystrophine avec une taille de 2,4 millions bp avec 79 exons (ARNm
~ 14kb)
Organisation génome humain
−25% de séquences géniques dont :
=> Séquences codantes : 1,5-2 %
=> Introns : 25 %
−75% de séquences intergéniques dont :
=> Régions régulatrices : 5 %
Pseudogènes : 1,5 %
=> Séquences répétées : 55 % composées de :
−> Séquences intergéniques répétitives dispersées (45 %)
- LINE (Long Interspersed Nuclear Element) longs élements nucléaires intercalés
- SINE (Short Interspersed Nuclear Element) petits élements nucléaires intercalés
dont les séquences Alu
- Transposons à ADN, rétrotransposons d’origine virale …
−> Séquences intergéniques répétitives en tandem (10 %) :
- Satellites α et β (centromères)
- Mini-satellites (15 – 50 pb)
- Micro-satellites (< 15 pb, télomères)
=> Autres séquences non codantes : 12 %
L’ADN mitochondrial
- ADN circulaire
- Environ 16 kb, sans intron
- Endosymbiose d’une archéobactérie aérobie
- 37 gènes :
=> 22 gènes à ARNt, 2 gènes à ARNr
=> 13 gènes à ARNm pour des composants de la chaîne de phosphorylation oxydative
La nature des gènes et l’ordre sont conservés
chez tous les vertébrés, des poissons à l’Homme
L’ADN chloroplastique
- ADN circulaire
- Taille variable selon les espèces (100-200 kb)
- Endosymbiose d’une cyanobactérie
- ~ 100 gènes :
=> ARNt, ARNr
=> ARNm pour des composants des chaines de
photosynthèse et de respiration : Rubisco
(cycle de Calvin), cytochromes, chlorophylles,
ATP synthase …
