ExG 1- Structure des génomes eucaryotes

Question 1

a) Composition de l’ADN

Answer 1

• L’ADN est constitué de quatre types de nucléotides, qui sont les unités de base :
  
  • Adénine (A)
  • Guanine (G)
  • Cytosine (C)
  • Thymine (T)
• Ces nucléotides sont liés entre eux par des liaisons phosphodiester, formant une chaîne linéaire avec un squelette sucre-phosphate.

Question 2

b) Double hélice et complémentarité des bases

Answer 2

• L’ADN est organisé en une double hélice, où deux brins complémentaires s’enroulent l’un autour de l’autre.
• Les bases azotées des deux brins sont appariées par complémentarité :
  
  • Adénine (A) avec Thymine (T)
  • Guanine (G) avec Cytosine (C)
• Les deux brins sont orientés en sens opposé (arrangement antiparallèle), ce qui est essentiel pour la réplication et la transcription.

Question 3

c) Organisation hiérarchique de la chromatine

Answer 3

• La taille de la molécule d’ADN (2 nm de diamètre) est extrêmement longue par rapport à la taille du noyau cellulaire. Pour permettre son empaquetage, l’ADN est organisé en plusieurs niveaux de compactage :
  1. Double hélice (2 nm) : L’ADN sous forme simple de double hélice.
  2. Nucléosome (11 nm) : L’ADN s’enroule autour d’un octamère d’histones (protéines) formant des nucléosomes. Chaque nucléosome contient environ 147 paires de bases d’ADN enroulées autour des histones.
  3. Solénoïde (30 nm) : Les nucléosomes s’organisent en fibres plus compactes, formant une structure appelée solénoïde.
  4. Chromatine (300-700 nm) : La fibre de solénoïde s’organise plus largement pour former la chromatine, qui peut être de deux types :
     
     • Euchromatine : moins condensée, riche en gènes exprimés.
     • Hétérochromatine : très condensée, généralement transcriptionnellement inactive.
  5. Chromosome métaphasique (1400 nm) : Lors de la division cellulaire, la chromatine est encore plus condensée pour former les chromosomes visibles au microscope optique.

Question 4

d) Euchromatine versus Hétérochromatine

Answer 4

• Euchromatine est la forme relâchée de la chromatine, accessible aux facteurs de transcription, donc active en termes d’expression des gènes.
• Hétérochromatine est la forme condensée, elle est généralement transcriptionnellement inactive. Elle peut être :
  
  • Constitutive : toujours condensée (exemple : centromères, télomères, séquences répétées).
  • Facultative : peut alterner entre états condensés et décondensés selon le contexte cellulaire et les besoins d’expression des gènes.

Cette organisation dynamique de la chromatine permet aux cellules eucaryotes de réguler finement l’accès à l’information génétique, contrôlant ainsi l’expression des gènes en fonction des besoins cellulaires.

Question 5

Hétérochromatine constitutive

Answer 5

• Définition : L’hétérochromatine constitutive est une forme de chromatine toujours condensée et généralement transcriptionnellement inactive. Elle joue un rôle structurel important dans le génome.
• Localisation : On la retrouve principalement aux centromères et aux télomères des chromosomes, ainsi que dans certaines régions riches en séquences répétées.
• Séquences répétées associées :
  
  • ADN α-satellite : répétitions d’un motif de 171 paires de bases présentes sur tous les chromosomes, avec un nombre variable de répétitions d’un chromosome à l’autre. Cette séquence permet le recrutement de la protéine CENP-B (Centromeric protein B), essentielle pour la formation du centromère.
  • ADN β-satellite : répétitions d’un motif de 68 pb sur certains chromosomes (1, 3, 9, bras court des acrocentriques, bras long du chromosome Y).
  • ADN satellite III : répétitions d’un motif de 5 pb (GGAAT) sur plusieurs centaines de kpb dans la plupart des chromosomes.
• Histones spécifiques : Les nucléosomes au niveau des centromères contiennent un variant spécial de l’histone H3 appelé CENP-A (Histone H3-like centromeric protein A), qui remplace l’histone H3 classique. Ce variant est crucial pour la formation du kinétochore, une structure nécessaire à la séparation des chromosomes lors de la mitose.
• Télomères :
  
  • Constitués de répétitions micro-satellites (TTAGGG) à l’extrémité des chromosomes.
  • L’extrémité 3’ est simple brin et forme une structure en boucle appelée boucle T (T-loop), stabilisée par le complexe shelterin.
  • Le complexe shelterin est formé 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., qui protègent les télomères et empêchent leur reconnaissance comme cassures d’ADN [[8-10]].

Question 6

Hétérochromatine facultative

Answer 6

• Définition : Contrairement à l’hétérochromatine constitutive, l’hétérochromatine facultative est une forme de chromatine dynamique qui peut alterner entre un état compacté (inactive) et un état relâché (active). Elle est donc régulée en fonction du contexte cellulaire et du développement.
• Fonctions :
  
  • Elle intervient dans la régulation de l’expression génique, notamment en contrôlant l’activation ou la répression de certains gènes selon les besoins de la cellule.
  • Elle joue un rôle clé dans les processus épigénétiques, notamment dans l’empreinte parentale, où certains gènes sont exprimés de manière spécifique selon leur origine parentale.
• Exemple visuel : Des cellules HeLa colorées avec le Hoechst 33258 montrent la distribution dynamique de l’hétérochromatine (zones plus compactes et colorées intensément) par rapport à l’euchromatine (zones plus claires), illustrant son caractère dynamique entre interphase et mitose [[11]].

Synthèse
- L’hétérochromatine constitutive est une composante stable et structurale de la chromatine, enrichie en séquences répétées et en histones variants, essentielle au maintien de l’intégrité chromosomique (centromères, télomères).
- L’hétérochromatine facultative est une composante régulée et dynamique, contrôlant l’expression génique par des mécanismes épigénétiques, et participant à la plasticité du génome en fonction des besoins cellulaires.

Ces deux formes d’hétérochromatine sont donc fondamentales pour la structure et la régulation fonctionnelle des chromosomes dans les cellules eucaryotes [[8-11]].

Question 7

a) Méthylation de l’ADN

Answer 7

• La méthylation se produit principalement sur les cytosines des îlots CpG (zones riches en cytosine suivie de guanine). Chez les vertébrés, environ 70 % des îlots CpG sont méthylés.
• Cette méthylation est associée à la répression de la transcription des gènes.
• Les enzymes appelées ADN méthyltransférases (DNMTs) maintiennent ce profil de méthylation lors de la réplication, assurant ainsi que la modification soit héritée par les cellules filles.
• La méthylation n’altère pas la séquence d’ADN mais modifie l’expression génique, souvent en inhibant la liaison des facteurs de transcription au promoteur.
• Les protéines avec un domaine MBD (Methyl CpG Binding Domain) reconnaissent spécifiquement les sites méthylés et recrutent des complexes répressifs comme des histones méthyl-transférases et déacétylases, renforçant la compaction de la chromatine et la répression transcriptionnelle [[14-16]].

Question 8

• Acétylation des histones :

Answer 8

• Réalisée par des histone acétyltransférases (HAT).
  
  • L’acétylation neutralise la charge positive des lysines sur les histones, réduisant leur affinité pour l’ADN négatif et entraînant un relâchement de la chromatine, ce qui facilite la transcription.
  • Cette modification est réversible par les histone déacétylases (HDAC).
  • Les acétylations sont reconnues par des protéines possédant un domaine Bromo, qui permet de recruter des complexes transcriptionnels au promoteur [[17-18]].

Question 9

• Méthylation des histones :

Answer 9

• Peut activer ou réprimer la transcription selon le résidu modifié (lysine ou arginine) et le degré de méthylation (mono-, di-, tri-méthylation).
  
  • Cette modification augmente la basicité des histones.
  • La méthylation est catalysée par les histone méthyltransférases (HMT) et retirée par les histone déméthylases (HDM).
  • Les marques de méthylation sont reconnues par des domaines spécifiques, comme le domaine Chromo, qui lie préférentiellement les tri-méthylations sur les lysines (exemple : tri-méthylation H3K27).
  • Ces interactions recrutent des complexes de remodelage de la chromatine, modulant la compaction et l’activité transcriptionnelle [[19-20]].

Question 10

c) Coopérations et interactions croisées

Answer 10

• Les modifications de l’ADN et des histones ne fonctionnent pas isolément mais en coopération :
  
  • Les protéines liant l’ADN méthylé (via un domaine MBD) peuvent recruter des HDAC pour déacétyler les histones, favorisant la répression.
  • Elles peuvent aussi recruter des HMT pour méthyler les histones.
  • De leur côté, les DNMTs interagissent avec des protéines possédant des domaines Chromo pour favoriser la méthylation de l’ADN.
• Ces interactions croisées renforcent la stabilité des états répressifs ou actifs de la chromatine, formant un code épigénétique complexe qui contrôle l’expression génique sans altérer la séquence d’ADN [[21]].

En résumé, la régulation de la chromatine repose sur des modifications épigénétiques réversibles et transmissibles :
- La méthylation de l’ADN, surtout dans les îlots CpG, inhibe la transcription en recrutant des complexes répressifs.
- Les modifications covalentes des histones (acétylation, méthylation) modulent la structure de la chromatine et son accessibilité.
- Ces modifications sont reconnues par des protéines spécialisées qui orchestrent la compaction ou le relâchement de la chromatine, contrôlant ainsi l’expression des gènes.

Cette régulation fine est essentielle pour le développement cellulaire, la différenciation et la réponse à l’environnement, et ses dérèglements peuvent mener à des maladies comme le cancer [[12-21]].

Question 11

Complexes Polycomb et Trithorax : Rôle général

Answer 11

• Les complexes Polycomb (PcG) et Trithorax (TrxG) sont des groupes de protéines qui modifient la chromatine pour maintenir respectivement un état réprimé ou actif de certains gènes.
• Ils sont particulièrement connus pour réguler les gènes homéotiques chez la drosophile, mais leur rôle est conservé chez les vertébrés, notamment dans le contrôle des gènes impliqués dans la prolifération cellulaire et la différenciation.

Question 12

2. Complexes Polycomb (PcG)

Answer 12

• Les complexes Polycomb agissent comme des répresseurs transcriptionnels, maintenant certains gènes dans un état inactif.
• PRC2 (Polycomb Repressive Complex 2) est responsable de la triméthylation de la lysine 27 de l’histone H3 (H3K27me3), une marque épigénétique associée à la répression transcriptionnelle.
• PRC1 reconnaît la marque H3K27me3 déposée par PRC2, et agit en coopérant avec HDAC1 (histone déacétylase 1) pour déacétyler H3K27Ac (marque d’activation), ce qui conduit à la compaction de la chromatine et à la répression des gènes cibles.
• Ainsi, PRC1 et PRC2 travaillent ensemble pour maintenir la chromatine dans un état compacté et silencieux.
• Ces complexes Polycomb sont essentiels pour maintenir l’état réprimé des gènes au cours du développement et dans les cellules différenciées.

Question 13

3. Complexes Trithorax (TrxG)

Answer 13

• Les complexes Trithorax ont une fonction antagoniste à celle des Polycomb : ils activent la chromatine et favorisent l’expression des gènes.
• Ils sont responsables de modifications telles que la méthylation de H3K36 (H3K36me2) par la sous-unité Ash1, la méthylation de H3K4 (H3K4me1) via le complexe COMPASS, et l’acétylation de H3K27 (H3K27ac) via TAC1.
• Trithorax coopère aussi avec des complexes de remodelage de la chromatine comme SWI/SNF pour décompacter la chromatine et permettre l’accès des facteurs de transcription.
• Par ces modifications, Trithorax maintient les gènes dans un état transcriptionnel actif.

Question 14

4. Mécanisme de compétition et régulation fine

Answer 14

• La régulation de l’expression des gènes par Polycomb et Trithorax repose sur une compétition dynamique entre leurs activités respectives.
• Cette compétition est influencée par :
  
  • Le niveau de méthylation des îlots CpG dans les régions promotrices des gènes.
  • La présence de facteurs de liaison à l’ADN (DNA-binding factors) dans les régions intercalaires entre les nucléosomes (régions DNA-linker).
• Les éléments appelés PRE (Polycomb Response Elements) sont des séquences spécifiques qui recrutent les complexes Polycomb aux gènes cibles.
• Ainsi, en fonction de l’équilibre entre Polycomb et Trithorax, un gène peut être maintenu soit dans un état réprimé, soit dans un état actif, ce qui est crucial pour le contrôle du développement cellulaire, la différenciation et la prolifération.

Question 15

5. Importance biologique et pathologies associées

Answer 15

• Le maintien d’un équilibre correct entre ces complexes est essentiel pour la stabilité de l’identité cellulaire.
• Une dérégulation des complexes Polycomb, par exemple une surexpression ou une mutation, est associée à plusieurs types de cancers.
• Les cellules souches cancéreuses sont souvent caractérisées par des anomalies dans ces mécanismes épigénétiques, ce qui contribue à leur capacité à proliférer de façon extensive et à générer des lignées cellulaires variées.

En résumé, les complexes Polycomb et Trithorax sont des acteurs majeurs de la régulation épigénétique qui, par leurs modifications spécifiques des histones et leur influence sur la structure de la chromatine, contrôlent l’expression stable et héréditaire des gènes. Leur action opposée et coordonnée permet de maintenir un contrôle fin sur les gènes clés du développement et de la différenciation cellulaire [[22-27]].

Question 16

1. Taille et contenu global du génome humain :

Answer 16

• Le génome humain contient environ 3,2 milliards de paires de bases (pb).
  
  • Ce génome est très grand : si on écrivait les 4 bases (A, T, C, G) en taille 5, on aurait environ 3000 bases par page A4, ce qui représenterait environ 2000 livres de 500 pages pour tout le génome humain [[28]].

Question 17

2. Nombre et taille des gènes :

Answer 17

• Il y a environ 20 000 à 30 000 gènes chez les mammifères, incluant l’humain.
  
  • La taille moyenne d’un gène est d’environ 25 000 pb, ce qui signifie que seulement environ 25 % du génome est constitué de séquences géniques [[29]].
  • Les gènes sont composés de :
    
    • Exons : séquences codantes qui seront traduites en protéines.
    • Introns : séquences non codantes situées entre les exons.
    • Séquences régulatrices : régions comme les promoteurs qui contrôlent l’expression des gènes.
  • Par exemple, le gène de l’actine-β, une protéine très conservée de 375 acides aminés (soit environ 1125 nucléotides codants), possède un gène de 4490 nt. Cela montre la présence de régions non codantes importantes (introns ou régulateurs) dans les gènes [[29]].
  • Le plus grand gène connu est celui de la dystrophine, avec environ 2,4 millions de pb et 79 exons, et un ARNm d’environ 14 kb [[29]].

Question 18

3. Répartition des séquences dans le génome :

Answer 18

• Environ 25 % de l’ADN est génique (c’est-à-dire contenant des gènes).
  
  • Les 75 % restants sont des séquences intergéniques, qui n’appartiennent pas directement aux gènes [[29]].

Question 19

4. Séquences intergéniques :

Answer 19

• Elles se divisent en :
  
  • Séquences intergéniques uniques : environ 20 % du génome.
  • Séquences répétitives intergéniques : environ 55 % du génome [[31]].
    
    • Parmi ces séquences répétées, on trouve :
      
      • Séquences répétées dispersées (45 %) :
        
        • LINEs (Long Interspersed Nuclear Elements) : longs éléments nucléaires intercalés, de plusieurs milliers de pb, présents en plusieurs centaines de milliers de copies.
        • SINEs (Short Interspersed Nuclear Elements) : plus courts (100-300 pb), moins nombreux, dont la séquence Alu est un exemple bien connu.
        • Transposons à ADN : éléments mobiles qui se déplacent sans passer par un intermédiaire ARN.
        • Rétrotransposons d’origine virale : se multiplient via un intermédiaire ARN qui est rétrotranscrit en ADN avant insertion.
      • Séquences répétées en tandem (10 %) :
        
        • Satellites α et β : présents notamment dans les centromères.
        • Mini-satellites : séquences répétées de 15 à 50 pb.
        • Micro-satellites : séquences courtes de moins de 15 pb, présents notamment aux télomères [[31-32]].

Question 20

5. Éléments mobiles et duplications :

Answer 20

• Les éléments LINE, SINE, rétrotransposons et transposons contribuent à la dynamique du génome en se multipliant et en s’insérant à différentes positions.
  
  • Les duplications segmentaires sont de larges blocs de séquences conservées (de 1000 à 200 000 pb) qui pourraient jouer un rôle dans l’organisation des chromosomes [[32]].

Question 21

6. ADN mitochondrial :

Answer 21

• L’ADN mitochondrial est circulaire, d’environ 16 kb, et ne comporte pas d’introns.
  
  • Il provient d’une endosymbiose d’une archéobactérie aérobie.
  • Contient 37 gènes, dont 22 pour des ARNt, 2 pour des ARNr, et 13 pour des ARNm codant des protéines impliquées dans la chaîne de phosphorylation oxydative.
  • La nature et l’ordre des gènes sont bien conservés chez tous les vertébrés [[33]].

Question 22

7. ADN chloroplastique :

Answer 22

• L’ADN chloroplastique est aussi circulaire, mais plus variable en taille (100-200 kb).
  
  • Il dérive d’une endosymbiose d’une cyanobactérie.
  • Contient environ 100 gènes, y compris des ARNt, ARNr, et des ARNm codant pour des composants des chaînes photosynthétiques et respiratoires (exemple : Rubisco, cytochromes, chlorophylles, ATP synthase) [[34]].

En résumé

Le génome humain est complexe et largement constitué de séquences non codantes, dont une part importante est répétitive et mobile, ce qui joue un rôle dans la structure et l’évolution du génome. Les gènes eux-mêmes sont composés d’exons et d’introns, avec une taille très variable. Par ailleurs, le génome contient aussi des ADN circulaires mitochondriaux et chloroplastiques hérités d’endosymbioses anciennes, portant des gènes essentiels aux fonctions cellulaires énergétiques [[28-34]].