The English version will soon replace this version

Atlas of Genetics and Cytogenetics in Oncology and Haematology
Architecture de la chromatine dans le noyau
interphasique (The English version will soon replace this version)
*
Introduction
I. Organisation 3D de la chromatine dans le noyau
interphasique
1. Relations de la chromatine avec les structures
nucléaires
2. Notion de territoires chromosomiques
3. Topographie des territoires
4. Interface entre territoires voisins
5. Modèle d’organisation de la chromatine dans le noyau
interphasique
II. Evolution relative des territoires les uns par rapport aux
autres au cours des cycles cellulaires successifs
III. Le noyau, une structure dynamique à 4 dimensions
Conclusion
*
Introduction
Depuis la fin du XIXe siècle et les travaux de Rabl, de nombreuses hypothèses ont
été émises quant à l'existence ou non d'une architecture organisée et contrôlée de la
chromatine pendant l'interphase, hypothèses qui ont évolué en fonction des
techniques disponibles pour les vérifier. Ainsi, pour Rabl, il devait exister une
compartimentalisation du noyau, chaque chromosome occupant un territoire défini.
Cette hypothèse reposait essentiellement sur des concepts théoriques puisque les
techniques de microscopie optique, si elles ont permis de décrire certaines structures
comme les nucléoles, n'avaient pas la résolution nécessaire pour distinguer les fibres
de chromatine les unes des autres. Cette idée de l'organisation du noyau
interphasique a été remise en cause par les travaux de microscopie électronique
effectués dans les années 60 et 70. Les résultats en ont été décevants puisque
malgré l'excellente résolution obtenue, aucune architecture particulière des
molécules d'ADN n'a pu être décrite. L'idée prévalente alors était que le noyau était
une « simple » enveloppe contenant les molécules d'ADN décondensées et
mélangées de façon aléatoire. Depuis une vingtaine d'années, l'apparition et le
développement rapide des techniques d'hybridation in situ fluorescente (FISH pour
Fluorescent In Situ Hybridization) a conduit à réexaminer le sujet grâce à des outils
d'imagerie qui permettent enfin de visualiser spécifiquement chaque molécule d'ADN
au sein du noyau.
Atlas Genet Cytogenet Oncol Haematol 2006; 4
661
I. Organisation 3D de la chromatine dans le noyau interphasique
1. Relations de la chromatine avec les structures nucléaires
Principal composant du noyau, la chromatine est en relation avec les deux
principales structures nucléaires identifiées en microscopie, la membrane nucléaire
et les nucléoles.
a. Les nucléoles ont été identifiés depuis longtemps comme étant le
lieu de synthèse des (ARNr). Ces structures intra-nucléaires ne sont
pas limitées par une enveloppe et s'assemblent en nombre variable (en
général 2 par noyau) lors de la reprise des transcriptions en G1, après
la mitose. Ils sont constitués de plusieurs domaines visibles en
microscopie électronique :
•
Un ou plusieurs centres fibrillaires, correspondant à la zone de transcription à
partir des molécules d'ADN;
•
Un composé fibrillaire dense qui entoure le(s) centre(s) fibrillaire(s), contenant
les transcrits primaires ;
•
Un composé granulaire moins dense en périphérie, correspondant à la zone
d'assemblage des pré-ribosomes.
Il s'agit donc de structures fonctionnelles liées à la synthèse des ARNr
et non pas de structures pré-établies indispensables à cette synthèse.
Cette synthèse s'effectue à partir de répétés quelques centaines de fois
dans le génome et tous situés au niveau des bras courts des
chromosomes acrocentriques (chromosomes 13, 14, 15, 21 et 22). Ces
régions sont appelées régions organisatrices des nucléoles (NOR pour
Nucleolar Organising Regions) car leur rapprochement entraîne la mise
en place du nucléole par concentration en un endroit donné des
composants nécessaires à la transcription et à la maturation des ARNr.
Cette proximité physique des bras courts des chromosomes
acrocentriques peut se retrouver parfois jusque pendant la mitose où
l'on peut observer une juxtaposition des NORs de plusieurs
chromosomes acrocentriques.
b. Le noyau est délimité par une enveloppe constituée d'une double
membrane (membranes nucléaires interne et externe, séparées par
l'espace péri-nucléaire). A la face interne de la membrane nucléaire
interne, on trouve un feutrage de filaments intermédiaires, la lamina,
composée de trois protéines essentielles : les lamines A, B et C. La
lamina possède de très nombreuses interactions avec des protéines de
la membrane nucléaire interne et avec la chromatine, en relation avec
ses fonctions dans l'organisation de l'enveloppe nucléaire et
probablement dans la régulation de l'expression des gènes.
En effet, un certain nombre de régulateurs transcriptionnels
interagissent avec les lamines, de même que la protéine HP1 qui se
fixe spécifiquement sur l'hétérochromatine. Par le biais de la lamina,
l'enveloppe nucléaire pourrait donc participer à l'organisation de
Atlas Genet Cytogenet Oncol Haematol 2006; 4
662
l'hétérochromatine dans le noyau et plus largement au contrôle régional
de la par relocalisation de gènes au contact de l'hétérochromatine pour
les inactiver.
2. Notion de territoires chromosomiques
Au début des années 80, grâce à des expériences d'irradiation laser de cellules de
hamster, ont été apportés les premiers éléments d'observation en faveur de
l'existence de territoires chromosomiques. Mais c'est l'hybridation in situ avec des
sondes de peinture chromosomique qui, en permettant de visualiser directement le
matériel génétique spécifique à chaque chromosome, a montré que chacun occupe
un territoire bien délimité, sans mélange ni recouvrement avec les territoires voisins,
confirmant ainsi la théorie de Rabl. Ces résultats ont été retrouvés pour toutes les
paires chromosomiques et constituent la première preuve d'une organisation de la
chromatine pendant l'interphase. Au sein de ces territoires, la fibre de chromatine
conserve une organisation permettant d'identifier des sous-domaines correspondant
aux bras ou aux bandes chromosomiques. La surface occupée par ces territoires est
proportionnelle grossièrement à la taille du chromosome, mais d'autres paramètres
peuvent la moduler comme, par exemple, le niveau global d'expression du
chromosome. Ces territoires chromatiniens ne constituent pas des compartiments
nucléaires au même titre que les nucléoles car ils sont perméables comme le
démontre la diffusion passive de dont la taille peut aller jusqu'à 500 kDa dans tout le
noyau.
3. Topographie des territoires
Existe-t-il un arrangement précis et régulé des chromosomes les uns par rapport aux
autres pendant l'interphase? Cette question difficile n'est toujours pas résolue de
manière définitive car des résultats divergents et parfois contradictoires ont été
rapportés, soit en faveur, soit contre cette hypothèse, mais il faut souligner que les
premières études ont été menées sur des types cellulaires différents voire dans des
espèces différentes, ce qui suggère l'existence d'une variabilité fonctionnelle et/ou
tissulaire.
Cependant, les résultats les plus récents semblent confirmer l'existence d'un
arrangement non aléatoire des territoires chromosomiques les uns par rapport aux
autres pendant l'interphase, en fonction de leur taille et/ou de leur contenu en gènes.
Ainsi, il existe une localisation préférentielle des petits chromosomes vers l'intérieur
du noyau alors que les plus grands sont plus fréquemment observés vers la
périphérie. Cependant, le contenu en gènes intervient également comme le prouve le
cas des chromosomes 18 et 19. Bien que de tailles comparables, le chromosome 19
riche en gènes est situé plus vers le centre du noyau que le 18, pauvre en gènes et
observé en périphérie. Cette corrélation entre densité en gène accrue et position plus
centrale dans le noyau interphasique a depuis été retrouvée pour d'autres paires.
Si l'on admet donc l'existence d'une organisation non aléatoire des territoires au sein
du noyau, une autre question à résoudre est de savoir si elle est associée à un
arrangement particulier des homologues ou de certaines paires entre elles. Là
encore les résultats obtenus jusqu'ici sont discordants et ne permettent pas encore
de répondre de manière définitive. Cependant, quelques observations récentes
concernant les positions respectives de chromosomes impliqués dans certaines
translocations réciproques militent en faveur d'un positionnement non aléatoire des
chromosomes les uns par rapport aux autres.
Atlas Genet Cytogenet Oncol Haematol 2006; 4
663
4. Interface entre territoires voisins (Figure 1)
Deux modèles sont proposés pour décrire les relations qui existent entre territoires
chromosomiques voisins.
a) Dans le premier modèle (modèle ICD : Interchromatin Domain), il
existerait des espaces dépourvus de chromatine appelés espaces
interchromatiniens. Ces espaces forment un réseau en trois dimensions
de canaux qui débutent au niveau des pores de la membrane nucléaire
et s'étendent entre les territoires chromosomiques dans lesquels ils
s'invaginent. Leur taille est variable, avec des lacunes de quelques
micromètres de diamètre alors que les régions les plus fines pourraient
n'avoir que quelques nanomètres de large. Ces espaces
interchromatiniens seraient l'endroit où serait concentré tout le matériel
non chromatinien (corps nucléaires, pré-ARNm, facteurs de
transcription) et constitueraient à ce titre soit un simple lieu de stockage
des macromolécules, soit directement le lieu des réactions
enzymatiques. En tout état de cause, il est en revanche déjà acquis
que ces espaces servent également de voies de circulation au sein du
noyau par simple diffusion passive permettant de distribuer les
protéines nécessaires à la transcription et d'exporter en retour les
produits.
b) Le deuxième modèle (modèle ICN : Interchromosomal network)
suppose au contraire qu'il existe des zones de recouvrement entre
territoires voisins au niveau desquelles les fibres de chromatine des
deux chromosomes sont étroitement associées. Ce modèle repose sur
des observations faites sur des coupes ultrafines qui permettent de
mieux conserver l'architecture de la chromatine que les préparations
standard de FISH 3D. Environ 40% de chaque territoire serait ainsi
mélangé en périphérie avec les territoires voisins. L'importance de la
zone frontalière serait fonction notamment de la compaction du
territoire chromosomique (plus la chromatine est compacte moins il y a
de possibilités d'interpénétration), elle-même étant proportionnelle à la
richesse en gènes du chromosome et à son activité transcriptionnelle.
Dans ce modèle, les protéines nécessaires à la transcription, la
réplication, la réparation de l'ADN ainsi que les ARN diffuseraient
librement entre les boucles de chromatine au sein de chaque territoire
sans être confinées au sein d'espaces spécialisés. Le principal intérêt
de ce modèle est de pouvoir concilier la notion de territoire
chromosomique avec la fréquence observée des translocations
réciproques. En effet, pour chaque chromosome, il existe une très
bonne corrélation entre la proportion de territoire mélangé avec les
territoires voisins et la fréquence des translocations réciproques
impliquant la paire considérée.
Atlas Genet Cytogenet Oncol Haematol 2006; 4
664
5. Modèle d'organisation de la chromatine dans le noyau interphasique
Des différentes observations réalisées jusqu'à maintenant, se dégage un modèle
d'organisation fonctionnelle du noyau interphasique constitué de territoires
chromosomiques contenant l'information génétique sous la forme de chromatine. Au
sein du noyau, les protéines et les ARN produits peuvent diffuser librement pour
atteindre leur site de fixation ou pour être exportés vers le cytoplasme, soit via un
réseau d'espaces canaliculaires connectés aux pores nucléaires et séparant les
territoires (modèle ICD), soit directement entre les boucles de chromatine des
différents territoires (modèle ICN). Dans les deux modèles, les activités de
transcription qui se font au contact de la chromatine peuvent être régulées en
modifiant l'accessibilité aux gènes. Les gènes actifs sont accessibles aux complexes
de transcription soit parce qu'ils sont proches d'un espace interchromatinien dans le
modèle ICD, soit parce qu'ils sont situés sur une grande boucle d'ADN dans le
modèle ICN. L'observation que l'activation d'un gène peut être associée à sa
relocalisation dans un territoire voisin permet de plus d'envisager de nouveaux
modes de co-régulation de gènes participants à des voies métaboliques communes
et éventuellement situés sur des chromosomes distincts.
Quelque soit le modèle qui s'avèrera le plus proche de la réalité, cette organisation
de la chromatine permet d'inactiver facilement des groupes de gènes en modifiant
leur position au sein des territoires et en les rendant ainsi inaccessibles à la
machinerie transcriptionnelle.
Parmi les nombreux points qui restent à élucider, il y a la question de savoir si
l'organisation en territoires chromosomiques est un préalable permettant d'organiser
Atlas Genet Cytogenet Oncol Haematol 2006; 4
665
et de réguler la transcription ou si au contraire cette organisation ne serait pas la
conséquence de l'activité transcriptionnelle de la cellule, générant des régions de
chromatine compacte puisque inactive et d'autres plus « aérées », au contact de
zones riches en protéines et ARNm résultant de la transcription.
II. Evolution relative des territoires les uns par rapport aux autres au cours des
cycles cellulaires successifs.
Les chromosomes sont-ils positionnés de façon aléatoire au sein du noyau ou au
contraire présentent-ils un arrangement spécifique les uns par rapport aux autres? La
question n'est pas résolue mais elle ouvre d'intéressantes perspectives dans la
mesure ou un tel arrangement pourrait constituer une information épigénétique
importante dans le cadre de la différenciation cellulaire et pourrait expliquer (ou être
expliqué par) une expression différentielle de certains gènes dans différentes lignées
cellulaires. Si cette hypothèse est vérifiée, la transmission à l'identique de cette
information positionnelle prend une importance capitale pour conserver les
caractéristiques propres à chaque type cellulaire. Deux arguments sont actuellement
en faveur d'une organisation coordonnée des territoires les uns par rapport aux
autre.
•
La probabilité qu'un remaniement entre deux chromosomes survienne à
l'occasion d'une irradiation dépend notamment de la distance existant entre
eux pendant l'interphase. D'un type cellulaire à l'autre, on observe des
fréquences variables des différentes associations possibles, suggérant donc
que la position relative des chromosomes les uns par rapport aux autres varie
en fonction de la lignée cellulaire considérée.
•
La position relative des territoires chromosomiques les uns par rapport aux
autres est transmise à l'identique à chaque division cellulaire aux cellules
filles. Les observations réalisées par fluorescence sur cellules vivantes
montrent que tous les territoires situés dans une même moitié du noyau de la
cellule mère se retrouvent associés dans une moitié du noyau de chaque
cellules filles. Le mécanisme actuellement retenu pour expliquer cette
conservation de la position après la métaphase où tous les chromosomes sont
réunis sur un même plan, consiste en un asynchronisme de séparation des
chromatides lors de l'anaphase, les chromosomes qui vont se positionner
dans les cellules filles dans la moitié de noyau la plus périphérique par rapport
au plan de division métaphasique se séparant avant ceux destinés à occuper
une position plus centrale (toujours par rapport au plan de division) (cf figure
2).
Un des éléments clé pour le contrôle de cet asynchronisme de
séparation des chromosomes pourrait être la quantité
d'hétérochromatine centromérique dont on sait qu'elle est indispensable
à la cohésion des chromatides au niveau des . En effet, si on altère
cette hétérochromatine (par exemple en incorporant du Hoescht qui
empêche une condensation correcte), on observe une répartition cette
fois aléatoire des chromosomes dans les cellules filles.
Si la position relative des différents territoires chromosomiques constitue bien une
information épigénétique (ce qui reste à démontrer de façon définitive), il est d'ores et
Atlas Genet Cytogenet Oncol Haematol 2006; 4
666
déjà probable que la transmission de cette information n'est pas absolue, et que des
variations surviennent après un nombre plus ou moins important de permettant une
adaptation fonctionnelle des cellules.
III. Le noyau, une structure dynamique à 4 dimensions
Les territoires chromosomiques ont une position stable dans le noyau au cours du
cycle cellulaire, traduisant l'immobilité globale de la chromatine dans le noyau. Les
techniques d'analyse en fluorescence sur cellules vivantes montrent en effet une
grande stabilité des traceurs utilisés pendant les phases G1, S et G2. Cette
immobilité est probablement en rapport avec le peu d'espace disponible à l'intérieur
du noyau, mais elle résulte également en partie de l'ancrage de la chromatine à
certains compartiments nucléaires, nucléoles et enveloppe principalement.
Cependant, si l'on change l'échelle d'analyse, on s'aperçoit que la chromatine n'est
pas figée dans le noyau mais que deux types de mouvements peuvent être
observés.
a. D'une part, le marquage en fluorescence de toutes petites régions
chromosomiques (˜ 10 kb) a permis de mettre en évidence l'existence
de mouvements de faible ampleur, sur une distance inférieure à 0,5
µm. Ces mouvements sont de type Browniens, orientés dans toutes les
directions de l'espace, mais en raison de leur faible amplitude, le locus
considéré reste circonscrit dans une région réduite du noyau (environ
1/1000e du volume total). Ces mouvements sont donc compatibles
avec la notion de territoire chromosomique clairement individualisé et
relativement immobile. Tous les loci étudiés ne montrent pas les
mêmes possibilités de mouvement, certains semblent moins mobiles
comme les télomères, les centromères ou certains domaines le long
des chromosomes, correspondant peut être à des sites d'ancrage de la
chromatine aux structures nucléaires.
b. D'autre part, des mouvements de plus grande ampleur sont
susceptibles d'être observés en relation avec une modification de
l'activité transcriptionnelle de la cellule, comme par exemple lors de la
ré entrée dans le cycle d'une cellule en phase de quiescence, ou au
cours de la différenciation cellulaire comme cela a été observé dans
des Lymphocytes B. Ces mouvements pourraient avoir un rôle
fonctionnel important au cours des processus de différenciation
cellulaire en modulant l'expression de certains gènes par un
repositionnement dans des régions favorisant ou au contraire inhibant
la transcription. Par ailleurs, l'existence de ces mouvements de la
chromatine permettent d'expliquer la colocalisation au sein de
complexes de transcription de gènes situés sur des chromosomes
distincts, d'autant qu'il existe une corrélation entre l'activité
Atlas Genet Cytogenet Oncol Haematol 2006; 4
667
transcriptionelle d'une cellule et l'importance du recouvrement des
territoires chromosomiques entre eux.
Conclusion
Dès le XIXe siècle, Rabl avait eu la bonne intuition : le noyau n'est pas un organite
servant uniquement à séparer le génome du cytoplasme, mais il joue un rôle
probablement essentiel dans l'organisation de la chromatine et le contrôle de
l'expression des gènes. Au sein de cet organite, le génome est arrangé de façon non
aléatoire, chaque chromosome occupant un territoire bien défini, et il est maintenu
globalement en place par des contacts avec diverses sous structures nucléaires ; cet
arrangement, éventuellement propre à certaines cellules ou tissus, est transmis aux
cellules filles au cours des divisions cellulaires. Enfin, des mouvements sont
possibles malgré tout au niveau de certains loci qui peuvent être relocalisés dans
d'autres régions du noyau notamment au cours des phénomènes de différenciation
cellulaire ou de reprise de la transcription. Ces modifications de position, ainsi que
l'existence d'un arrangement non aléatoire des territoires chromosomiques suggèrent
qu'il existe peut-être dans le noyau des zones plus ou moins favorables à la
transcription et donc à l'expression des gènes. En fonction de son emplacement, tel
ou tel ensemble de gènes pourra ainsi être activé ou inactivé dans sa globalité, sans
avoir à assurer un contrôle individuel de chacun d'eux. De plus, l'existence de zones
d'exclusion faciliterait l'action des protéines chargées de la transcription (enhancers,
polymerases, etc…) en réduisant le nombre de cibles potentielles et en augmentant
la concentration apparente des facteurs de transcription vis à vis des gènes actifs. Il
existerait ainsi une plasticité génétique corrélée avec la mobilité de la chromatine, qui
participerait à l'adaptation des cellules à un environnement changeant.
L'importance de cette organisation et des structures qui la maintiennent (notamment
l'enveloppe nucléaire) dans la régulation fonctionnelle du génome est attestée par les
troubles associés aux laminopathies. L'étude de la physiopathologie exacte de ces
maladies apportera probablement de nouveaux éclaircissements sur les mécanismes
de méta régulation de l'expression des gènes au niveau régional.
Parmi ceux-ci, les modifications épigénétiques de l'ADN (méthylation des Cytosines,
méthylation / acétylation des histones) constituent un axe de recherche privilégié en
raison des nombreux arguments existant en faveur d'une relation entre épigenèse,
structure de la chromatine, organisation du génome et expression génique.
Contributor(s)
Written
062006
Jean Michel Dupont
Citation
This paper should be referenced as such :
Dupont JM . Architecture de la chromatine dans le noyau interphasique. Atlas Genet
Cytogenet Oncol Haematol. June 2006 .
URL : http://AtlasGeneticsOncology.org/Educ/ArchitectChromatinID30016FS.html
© Atlas of Genetics and Cytogenetics in Oncology and Haematology
Atlas Genet Cytogenet Oncol Haematol 2006; 4
668