14 octobre 2015 PARELLO Prescyllia L2 Médecine
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GENETIQUE MEDICALE – Le support de l'information génétique - chromosomes et chromatine. Particularité des chromosomes sexuels / Inactivation du chromosome X 14 octobre 2015 PARELLO Prescyllia L2 Médecine Génétique médicale CR : Nyl CHEMLI Pr H. ZATTARA 20 pages Le Support de l'Information génétique – chromosomes et chromatine. Particularité des chromosomes sexuels / Inactivation du chromosome X Plan A. Chromosomes & chromatine : I. Historique et généralités II. De l'ADN aux chromosomes B. Inactivation du chromosome X I. Pourquoi inactiver les gènes liés à X ? II. Historique III. Mécanismes d'actions IV. Caractéristiques de l'inactivation de l'X V. Comment fonctionne l'inactivation de X ? VI.Maintien de l'inactivation VII. Inactivation de X pathologique A. Chromosomes & chromatine : I. Historique et généralités : C'est en 1888 que Waldeyer a découvert la structure de l’ADN ainsi que la chromatine et les chromosomes. Puis Tixo et Levan ont ensuite obtenu le premier caryotype en 1956. La première anomalie décrite fut la trisomie 21 en 1959 par Lejeune. Ensuite, en 1970 apparaît les techniques d'identification des chromosomes ; avec les techniques de haute résolution (en 1980). En 1990, on a mis en place la cytogénétique moléculaire permettant de mettre en relation l'ADN et le chromosome. En 2000, il y a apparition des techniques d'hybridation génomique comparative. II. De l'ADN aux chromosomes : 1. La structure du chromosome : Définitions : • La chromatine (khroma = couleur) est une substance contenue dans le noyau des eucaryotes qui présente une très forte affinité pour les colorants. • Les chromosomes (khroma = couleur ; soma = corps) sont des unités distincts de la chromatine, visibles seulement dans le noyau mitotique, donc quand la cellule est en mitose. 1/20 GENETIQUE MEDICALE – Le support de l'information génétique - chromosomes et chromatine. Particularité des chromosomes sexuels / Inactivation du chromosome X En ce qui concerne l'ADN : chaque noyau cellulaire humain contient 46 molécules linéaires d'ADN et il y a des centaines voire des milliers de molécules circulaires d'ADN dans le cytosol, c'est ce qu'on appelle l'ADN mitochondrial. Rappel fondamental : la chromatine est spécifique des cellules eucaryotes. En effet, chez les procaryotes, il n'y a pas de compartiment nucléaire individualisé, pas de chromatine, l'ADN est ainsi nu et porte le message héréditaire. Chez les eucaryotes, l'ADN est empacté dans un complexe nucléoprotéique que l'on appelle la chromatine, et cette chromatine est localisée dans un compartiment cellulaire individualisé, le noyau. De plus, c'est la chromatine qui porte le message héréditaire. Concernant la compaction et l'accessibilité, il y a environ 2 mètres d'ADN dans chaque cellule qui doivent être contenu dans un noyau de quelques microns de diamètre. Il faut que l'ADN soit compacté pour être dans les chromosomes. Ce système est très organisé, cela ne se fait pas au hasard. En plus de cet énorme degré de compaction, l'ADN doit être rapidement accessible afin de permettre son interaction avec les machineries protéiques régulant les fonctions de la chromatine : • La réplication. • La réparation. • La recombinaison. La chromatine et le chromosome comportent tous les deux de l'ADN mais l'ADN n'a pas la même forme ni la même fonction suivant s'il est dans le chromosome ou dans la chromatine. La chromatine est formé de plusieurs molécules d'ADN alors que le chromosome est l'unité physique du matériel génétique et va contenir une molécule d'ADN (2 en phase G2,). L'Homme a 46 chromosomes (donc 46 molécules d'ADN) ; le chromosome contient une partie de l'information génétique, ce qui la distingue de la chromatine qui contient l'ensemble de l'information génétique. Le chromosome mitotique est composé de deux chromatides (contenant 1 molécule d'ADN chacune) et d'un centromère. 2/20 GENETIQUE MEDICALE – Le support de l'information génétique - chromosomes et chromatine. Particularité des chromosomes sexuels / Inactivation du chromosome X 2. Structure de la chromatine : Globalement, la chromatine paraît hétérogène. • Grâce à des colorations histologiques + microscope optique (Heitz 1928), on a pu observé la chromatine comme un réseau à l'aspect très hétérogène. • Mais si on regarde avec un microscope électronique avec diffraction aux rayons X, on confirme bien qu'il existe des fibres ayant des diamètres variables en fonction du cycle cellulaire et de la région chromosomique observée. Lorsque l'on observe en microscopie optique, la chromatine a deux aspects : • Condensé. • Dispersée. On remarque que l'hétérochromatine est très coloré par rapport à l'euchromatine qui est peu coloré. Il y a donc une corrélation entre l'aspect morphologique et fonctionnel : • La chromatine dense correspond à l'hétérochromatine. • La chromatine dispersée correspond à l'euchromatine. HETEROCHROMATINE • • • • C'est la chromatine condensée (80% de la chromatine totale). C'est la zone sombre. Transcriptionnellement inactive ou peu active. Il existe deux types : ◦ L'hétérochromatine constitutive : elle se trouve au niveau de la région centromérique et de la constriction secondaire des chromosomes 1, 9, 16. ◦ L'hétérochromatine facultative : qui correspond au chromosome X inactif ou à la bande G. EUCHROMATINE • • • • • C'est la chromatine dispersée (20% de la chromatine totale). C'est la zone claire. Il y a une réplication précoce. Elle est transcriptionnellement active. Elle se situe au niveau de la bande R. L'hétérochromatine constitutive est retrouvée dans les chromosomes mitotiques au niveau : • Des centromères. • Des constrictions secondaires des chromosomes 1, 9, 16. • De la région télomérique, de taille variable, du bras long (q) du chromosome Y. • Des satellites des chromosomes acrocentriques. • Des télomères. Elle est constituée de séquences hautement répétées formant ce qui est communément appelé l'ADN satellite. L'hétérochromatine facultative contient en généralement des gènes éteints (des gènes qui ne sont pas exprimés dans le type cellulaire donné mais qui sont exprimés dans d'autres types cellulaires, participant dans ce cas à la formation de l'euchromatine). Elle participe à la régulation de l'expression des gènes en assurant un dosage correct (inactivation du chromosome X pour la femme). 3/20 GENETIQUE MEDICALE – Le support de l'information génétique - chromosomes et chromatine. Particularité des chromosomes sexuels / Inactivation du chromosome X Murray L Barr (1908 – 1995) est un médecin canadien qui a décrit en premier, en 1948, la structure nucléaire qui sera ultérieurement nommé « le corpuscule de Barr » et qui correspond à un chromosome X inactif (hétérochromatine facultative). 3. La structure de la chromatine en microscopie électronique : On retrouve une fibre de 11nm en aspect de collier de perles. Cela correspond à de la chromatine active. Le collier de perles correspond à un enchaînement de nucléosomes. Le nucléosome est une sous-unité élémentaire / fondamentale de la chromatine, formée d'une particule « coeur » et d'une région de liaison. • • La particule cœur : elle a un diamètre de 11nm, l'ADN est associé à un octamère d'histone (H2A + H2B + H3 + H4). L'ADN va faire deux tours de l'octamère, correspondant à 147pb. ADN de liaison : taille variable selon les espèces. 4/20 GENETIQUE MEDICALE – Le support de l'information génétique - chromosomes et chromatine. Particularité des chromosomes sexuels / Inactivation du chromosome X De plus, en microscopie optique, on observe un aspect de grains ou de courts filaments : ce sont les fibres chromatiennes (nucléosomes + lien). Puis, au microscope électronique, on observe des fibres plus larges avec des bouts plus serrés selon les régions. Ces fibres font 30nm de diamètre et quand on les observe de plus près, on se rend compte qu'il y a des nucléosomes qui se sont rapprochés et sont les uns à côté des autres pour former un solénoïde. Dans ce cas, la chromatine sera réprimée ou inactive. Cette organisation ne se fait pas au hasard, c'est assez structuré. Formation des fibres de chromatine : il existe plusieurs niveaux de compaction de l'ADN, correspondant à des niveaux d'activité transcriptionnelle différents. Pour les fibres de diamètre supérieur à 30nm, il y a mise en jeu des protéines non – histones : • Repliement en boucles autour d'un axe imaginaire : Cela formera des fibres d'environ 250 – 300nm. ◦ Protéines non – histones (troponine II, lamines, scaffold proteine, …). ◦ La chromatine est inactive donc transcription impossible. 5/20 GENETIQUE MEDICALE – Le support de l'information génétique - chromosomes et chromatine. Particularité des chromosomes sexuels / Inactivation du chromosome X • Spiralisation des chromatides : Cela formera des fibres d'environ 700 – 850nm. ◦ Autres protéines non – histones. ◦ La chromatine est inactive. • Plus de fibres décelables mais des agrégats +++ : ◦ C'est de l'hétérochromatine. ◦ Toujours inactive. Chaque molécule d'ADN est empaquetée dans un chromosome mitotique 10 000 fois plus court que la molécule déroulée. 4. Comment se forment les nucléosomes sur l'ADN nouvellement repliqué : (a) (b) (c) (d) La CAF-1 (Chromatin Assembly Factor) interagit avec H3 et H4 acétylées et nouvellement synthétisées. La CAF-1 positionne le tétramère (H3 + H4)x2 sur la molécule d'ADN, Vont ensuite venir s'ajouter les deux dimères d'histones H2A et H2B. De telle sorte que l'ADN fasse 2 tours autour de l'octamère d'histones. La CFA-1 est un facteur d'assemblage de la chromatine pour la formation du nucléosome. 5. Quels sont les facteurs capables d'induire des changements dans la structure de la chromatine : • Au niveau du nucléosome : Il y a les facteurs de remodelage de la chromatine : complexes multiprotéiques possédant une activité ATPasique (SWI/SNF, ISWI, Mi2/NuRD). • Au niveau de larges domaines chromatiniens : ◦ Enzymes modifiant post-traductionnellement les extrémités N-terminales des histones, par des phénomènes d'acétylation, méthylation, phosphorylation, ubiquitination, et polyADP – ribosylation. ◦ Incorporation de variants d'histones comme CENP – A (contre H3), macro-H2A ou H2A-X (contre H2A) permettant la stabilité du complexe. INTERACTION ENTRE METHYLATION ET CHROMATINE REGULATION EPIGENETIQUE Le noyau interphasique : • Interphase : temps qui sépare deux mitoses. • A cette période, il y a une intense activité métabolique avec la transcription et la réplication, qui est complètement arrêté lors de la mitose. 6/20 GENETIQUE MEDICALE – Le support de l'information génétique - chromosomes et chromatine. Particularité des chromosomes sexuels / Inactivation du chromosome X La structure du noyau ccomporte une membrane, un nucléoplasme, de la chromatine, et des nucléoles. La régulation épigénétique est un mécanisme qui permet à un gène d'être actif ou inactif à l'aide de l'état de méthylation de l'ADN ou de l'état de condensation de la chromatine. • Variété de protéines interagissant avec la chromatine ou l'ADN : ◦ DNA-méthyltransférases. ◦ Méthyl-CpG-banding protéines. ◦ Protéines enzymatiques modifiant les histones. ◦ Facteurs de remodelage de la chromatine. • Compréhension des bases moléculaires : ◦ Transcription de l'ADN. ◦ Réplication de l'ADN. ◦ Mutation et réparation. ◦ Recombinaison. Dans le génome humain (vertébrés) : le carbone en position 5' de la cytosine, 5'-CpG-3' est en général modifié par un groupement méthyl (CH3). ACETYLATION DES HISTONES H3 ET H4 Il existe des enzymes modifiant les histones. • Hyperacétylation : Histone Acétyltransférase HAT : c'est une enzyme ACTIVATRICE. Son coactivateur est le CBP/p300 et le PCA. • Hypoacétylation : Histone Deacétylases HDCA : c'est une enzymes INHIBITRICE. Il y a deux complexes co-récepteurs ; Sin3 et Mi2-NURD (nucleosome remodelling histone deacetylase). 7/20 GENETIQUE MEDICALE – Le support de l'information génétique - chromosomes et chromatine. Particularité des chromosomes sexuels / Inactivation du chromosome X 6. Les territoires chromosomiques : Aspect morphologique d'un chromosome métaphasique : Sondes permettant de marquer les chromosomes entiers, de couleur différente, et on remarque que les chromosomes ont des « endroits spéciques ». Il y a donc des territoires chromosomiques. Dans un chromosome, il y a un bras court p et un bras long q. 7. Le Centromère – Nucléole et Télomère : Le centromère est une constriction primaire, de structure complexe et étroitement associée à une structure protéique, le kinétochore. Le centromère sépare en deux le chromosome : • Bras court p. • Bras long q. • Index centromérique = longueur de p / p+q (longueur totale). Le centromère est étroitement lié à une structure protéique ; le kinétochore sur lequel s'insère les fibres fusoriales lors de la métaphase (complexe jouant un rôle essentiel dans la séparation des chromosomes). Quand un chromosome est diacentrique, c'est qu'il n'a pas de centromètre donc du mal à se séparer. 8/20 GENETIQUE MEDICALE – Le support de l'information génétique - chromosomes et chromatine. Particularité des chromosomes sexuels / Inactivation du chromosome X Technique de la bande C : On remarque que les centromères sont marqués en noir. Le centromère, aussi appelé constriction primaire, peut être mis en évidence de manière spécifique par la technique des bandes C : Dénaturation avancée de l'ADN entraîne une résistance des régions très condensées, les seules qui restent capables de fixer fortement le colorant. Rôles du centromère : • • • • • Adhésion des chromatides sœurs. Fixation au fuseau de division. Contrôle du « spindle assembly checkpoint » (SAC) ou point de contrôle mitotique. Séparation des chromatides en anaphase. Distribution égale du matériel génétique. Structure du Centromère Pour marquer les centromères, on peut utiliser des sondes centromériques. Celles-ci peuvent servir pour mettre en évidence les anomalies centromériques : il y a des séquences connues au niveau des centromères, ce qui permet d'interagir avec les sondes. 9/20 GENETIQUE MEDICALE – Le support de l'information génétique - chromosomes et chromatine. Particularité des chromosomes sexuels / Inactivation du chromosome X Les constrictions secondaires concernent le chromosome 1, 9, 16 et Y. Les constrictions primaires et secondaires sont constituées d'ADN hautement répétitif : donc d'hétérochromatine constitutive (que l'on retrouve également au niveau des bras courts des chromosomes acrocentriques). L'ensemble des ces régions correspond à 10% du génome. ADN satellite = région de l'hétérochromatine • ADN α satellite : sur toutes les paires chromosomiques, et localisé précisément dans les régions centromériques. • ADN β satellite : localisé dans les régions péricentromériques des chromosomes 1, 9, 16 et Y et sur les bras courts des chromosomes acrocentriques. Les chromosomes acrocentriques sont les chromosomes 13, 14, 15, 21 et 22, ce sont des chromosomes qui ont de tous petits bras courts sur lesquels il n'y a que de l'ADN satellite, donc de l'ADN non codant. Ainsi, si on a une translocation, on observe une perte de matériel des bras courts, donc perte d'ADN. Mais cette région ne code pas pour des gènes protéiques, mais pour des gènes chromosomiques, et on retrouve de plus des phénomènes de compensation pour les autres paires chromosomiques. Il existe différents sous-types : • ADN satellite 1 : Il est réparti sur de nombreux chromosomes. • ADN satellite 2 et 3 : On les retrouve dans les régions centromériques et régions hétérochromatiques des chromosomes 1, 9, 16 et Y. Ils seraient également impliqués dans le mécanisme de remaniement des chromosomes acrocentriques. On peut observer l'ADN satellite à l'aide de la technique de sondes FISH. Pour mettre en évidence les constrictions secondaires, on fait une coloration à l'argent et on les voit sur le bras court de certains chromosomes (les chromosomes acrocentriques), au niveau de l'ADN satellite. La taille est variable selon le chromosome et les individus. Par exemple, sur le chromosome 22, il y a beaucoup d'ADN satellite, donc le bras court a une taille importante. 10/20 GENETIQUE MEDICALE – Le support de l'information génétique - chromosomes et chromatine. Particularité des chromosomes sexuels / Inactivation du chromosome X Le Nucléole C'est une structure particulière dans le noyau où l'on retrouve les gènes qui code pour l'ADN ribosomal. Ces gène sont situés au niveau des bras courts des chromosomes acrocentriques essentiellement, visibles quand on les marque avec une sonde. Si on perd deux petits fragments d'ADN, ce sera sans conséquence phénotypique. 11/20 GENETIQUE MEDICALE – Le support de l'information génétique - chromosomes et chromatine. Particularité des chromosomes sexuels / Inactivation du chromosome X Le Télomère Le télomère (extrémité des chromosomes) est une structure qui maintient l'intégrité des chromosomes et qui a des propriétés répulsives. Il est constitué d'une séquence de 6pb répétée 5'-TTAGGG-3' et sa longueur est comprise entre 2 et 30kb. Si on réalise une FISH, on utilise des sondes qui vont reconnaître les séquences télomériques et on voit qu'il y en a à chaque extrémité des chromosomes. Mais si on prend des sondes qui reconnaissent une séquence unique d'un chromosome, il y aura seulement un chromosome marqué. On peut noter qu'à proximité des séquences sub-télomériques, il y a une séquence unique du chromosome en question. Rôle des télomères • • • Maintient de l'intégrité des molécules d'ADN. Adhésion à la membrane nucléaire. Limitation du nombre de division cellulaires, car il y a érosion des télomères, ce qui entraîne la sénescence de la cellule. Il existe des cellules dans lesquels, il n'y a pas d'érosion des télomères. Ce sont uniquement les cellules de la lignée germinale dans lesquelles il y a une enzyme active, la Télomèrase. Mais on peut retrouver la télomérase dans les cellules tumorales, ce qui entraîne leur immortalisation. 12/20 GENETIQUE MEDICALE – Le support de l'information génétique - chromosomes et chromatine. Particularité des chromosomes sexuels / Inactivation du chromosome X B. Inactivation du chromosome X : Le chromosome X est beaucoup plus grand que le chromosome Y. La femme a donc deux grands chromosomes alors que l’homme possède un grand et un petit. I. Pourquoi inactiver des gènes liés à X ? On remarque que les hommes XY ont un chromosome X, alors que les femmes XX en ont deux. Pourtant, la possession du deuxième chromosome X chez la femme n’aboutit pas à une surproduction des protéines codées par les gènes liés à l’X. Prenons l’exemple du facteur VIII de coagulation codé par le chromosome X : quand on le dose, on n'obtient pas un dosage qui est deux fois plus important chez la femme que chez l'homme ; et les femmes ne possèdent pas deux fois plus de facteur VIII que les hommes. Il existe donc une compensation de dosage génique aboutissant à une égalité des gènes liés à l’X entre l’Homme et la femme. Autrement dit, chez la femme, un des chromosomes X est inactivé, ce qui entraîne une réduction de moitié des produits des gènes liés au chromosome X, permettant ainsi une expression équivalente des gènes liés à l’X chez l’Homme et chez la Femme. 13/20 GENETIQUE MEDICALE – Le support de l'information génétique - chromosomes et chromatine. Particularité des chromosomes sexuels / Inactivation du chromosome X Le chromosome X est un grand chromosome de 160Mb comportant de nombreux gènes en majorité non impliqués dans la différenciation sexuelle. Chez l’homme, le chromosome Y est de petite taille (70Mb) comportant peu de gènes qui sont essentiellement impliqués dans la spermatogénèse. Chez la femme (XX), il y a deux copies de chaque gène du X et chez l'homme XY, il n'y a qu'une copie. Mais il n'y a pas de différence des produits codés par la plupart de ces gènes. Il y a donc un mécanisme de correction du dosage génique qui est requis pour assurer un niveau égal d'expression des gènes portés par l'X chez la femme et chez l'homme. Dans toutes les cellules 46XX, un des deux chromosomes X est inactif (ce qui veut dire que les gènes qu'il contient ne sont pas fonctionnels). Cette inactivation se fait au hasard : soit du chromosome maternel soit du paternel. Ainsi, si il n'y a aucune circonstance particulière, on retrouve 50% des X maternels activés et 50% des X paternels activés. II. Historique : Mary Lyon en 1961 a émit l’hypothèse qu’il n’y avait qu’un seul chromosome X actif dans les cellules somatiques des femelles des mammifères et qu’il y avait une inactivation aléatoire et précoce lors du développement embryonnaire. Les preuves sont tirées d’observations et expérimentations sur les animaux et en cytogénétique (le corpuscule de Barr, qui correspond à l’X inactif) Expérimentations animales : Les femelles sont généralement des mosaïques pour certains caractères liés au chromosome X (les mâles non). Exemple de gènes portés par X déterminant la couleur du pelage : • Femelles : aspect tacheté de leur pelage. • Mâles : pas d'aspect tacheté de leur pelage. Prenons l’exemple du chat tricolore (roble calico) européen écaille et blanc « écaille de tortue » : Chez les femelles, on retrouve le blanc, le noir et le marron alors que les mâles ne sont jamais tricolores. Ceci vient du fait que le gène codant pour la couleur du pelage est localisé sur le chromosome X. Il y a deux allèles, l’une codant pour la couleur noire, l’autre pour la couleur orange. Ainsi les mâles (hémizygote pour ce gène) n’ayant qu’un chromosome X (X maternel, Xm dont ils ont hérité) peuvent avoir soit du noir soit du orange, mais pas les deux (donc pelage uniformément coloré). En revanche chez les femelles (hétérozygotes pour ce gène), en fonction des régions, soit l’X portant l’allèle orange sera activé, soit ce sera le noir. Les femelles peuvent ainsi avoir des taches noires ET oranges, donc elles peuvent avoir un pelage tricolore, tachetées de noir et d'orange, leur pelage mosaïque expriment, selon les territoires, tantôt l'allèle porté par Xm ou l'allèle porté par Xp. Ce chromosome X inactif va prendre la forme d'un amas d'hétérochromatine, le corpuscule de Barr, situé à la périphérie du noyau des cellules en interphase, sous l'enveloppe nucléaire. Il apparaît toujours chez la femme, jamais chez l’homme. 14/20 GENETIQUE MEDICALE – Le support de l'information génétique - chromosomes et chromatine. Particularité des chromosomes sexuels / Inactivation du chromosome X IV. Caractéristiques de l'inactivation de l'X : L'inactivation d'un X se fait par hétérochromatinisation, induisant une répression transcriptionnelle. Le nombre de corpuscule de Barr dans une cellule correspond au nombre de chromosome(s) X moins un. Combien peut-on dénombrer de corpuscules de Barr dans le noyau d'une cellule ? : • Chez un homme XY, il n’y a pas de corps de Barr, • Chez une femme XX, il y en a un, • Chez une femme ayant 47 chromosomes et XXX, il y en aura deux, • Chez une femme présentant un syndrome de Turner (45,X0) il n’y en aura pas, • Chez un Homme atteint de la forme classique d'un syndrome de Klinefelter (47,XXY) il y en aura un Pour les femmes avec XXX, il n'y a pas de conséquences phénotypiques, ce sont des anomalies au niveau du caryotype. Alors que chez les hommes XXY, ils ont un syndrome de Klinefelter. 15/20 GENETIQUE MEDICALE – Le support de l'information génétique - chromosomes et chromatine. Particularité des chromosomes sexuels / Inactivation du chromosome X Le choix du chromosome X à inactiver se fait : • Au hasard dans chaque cellule. • Chez l’embryon, au court du premier mois. • Une fois la mise en place, toutes les cellules dérivées de la cellule mère ont le même chromosome X inactivé (définitif), sauf au moment de la formation des cellules germinales. Mais cette inactivation de l’X est incomplète : tous les gènes ne sont pas inactivés, c’est le cas des gènes de la région pseudo-autosomique par laquelle se fait l’appariement entre l’X et l’Y au cours de la méiose. Autrement dit, cette région a son équivalent sur le chromosome Y, ce qui fait qu’au cours de la méiose, il y aura un appariement à ce niveau et des crossing-over vont avoir lieu. C’est ce qui explique que les femmes n’ayant qu’un chromosome X (syndrome de Turner) aient une symptomatologie, car elles n’ont pas cette région. On voit que la région pseudo – autosomique se situe sur le bras court des chromosmes X et Y et ne sera jamais inactivé sur le chromosome X. Sur le plan fonctionnel, la femme est une mosaïque cellulaire en ce qui concerne l'expression des gènes liés aux chromosomes X, mais il y a des inactivation incomplètes au niveau du cœur, de l'utérus, … donc les femmes atteintes du syndrome de Turner n'auront pas un phénotype normal. V. Comment fonctionne l'inactivation de X ? Il existe un centre d’inactivation : XIC (X inactivation centre), situé sur les bras longs du chromosome X en Xq13 (1Mb). Ce gène va être à l’origine d’un transcrit (ARN de grande taille = 18kb) : XIST (X-inactive specific trancript), qui ne sera pas traduit en protéine ; et en parallèle d’un ARN antisens TSIX qui permet la régulation. L’inactivation démarre de ce centre, on voit apparaître les ARN, et elle se propage le long des deux chromosomes X dans les deux directions, en s’arrêtant avant la région pseudo-autosomique sur le bras court. L’ARN XIST recouvre en quasi-totalité le chromosome, le rendant inactif. 16/20 GENETIQUE MEDICALE – Le support de l'information génétique - chromosomes et chromatine. Particularité des chromosomes sexuels / Inactivation du chromosome X Ce centre est actif sur le chromosome inactif, mais est réprimé sur le chromosome actif. Si on prend une sonde spécifique du transcrit, le chromosome X inactif apparaît en rouge, il est entièrement recouvert par cet ARN. Cet ARN XIST est d'abord transcrit par les deux chromosomes X : • Sur l'un des chromosomes X, le transcrit est très instable, se dégrade et donc ce chromosome reste actif. • Sur l'autre X, le transcrit se stabilise et s'accumule sur l'un des 2 chromosomes X (Xi), ensuite cela donne une forme stable exprimée seulement à partir de l'Xi. Et on pense certainement que la régulation se fait par l'ARN antisens TSIX. VI. Le maintien de l'inactivation : Le maintien implique d’autres modifications épigénétiques de sa chromatine telles que la méthylation de l’ADN du chromosome X (hormis XIC, qui sera méthylé uniquement sur le chromosome actif). Ce processus fait passer l’un des X du stade d’euchromatine active (X actif) à celui d’hétérochromatine (inactif) facultative fortement condensée à réplication tardive et transcriptionnellement inactive (car méthylée). C’est un phénomène épigénétique car il implique la modification de l’expression des gènes sans modification de la séquence des nucléotides. C'est donc une action en cis (sur le même chromosome) et à longue distance. La mise en place de l’inactivation de l’X implique le traitement différentiel au sein d’une même cellule des chromosomes homologue. L’habillage de l’X inactif par XIST est suivi de modifications de de la chromatine : • Méthylation des promoteurs des gènes (répression). • Désacétylation/méthylation des histones (répression). • Recrutement d’une histone variante (macro H2A). • Réplication retardée : l’X inactif va se répliquer beaucoup plus tard que l’X actif. • Compaction de l’ADN (répression). • Hétérochromatinisation de l’Xi (i=inactif) Sur le chromosome X actif en revanche : • Acétylation des histones (activation). • Méthylation du gène XSIT (inactivation), seul gène qui sera inactivé. Pour résumer: sur l’X inactif, tout est méthylé (réprimé) sauf la région pseudo-autosomique; sur l’X actif, tout est activé, sauf le centre d’inactivation. 17/20 GENETIQUE MEDICALE – Le support de l'information génétique - chromosomes et chromatine. Particularité des chromosomes sexuels / Inactivation du chromosome X L'inactivation évite l'expression à double dose de gènes normalement exprimés à simple dose en bloquant leur transcription à partir de l'X inactif (Xi). Un petit nombre de gènes échappent à l'inactivation : • Les gènes de la région pseudo – autosomique (commune à l'X et à l'Y). • D'autres gènes situés principalement sur le bras court. Certains de ces gènes ont un équivalent fonctionnel sur l'Y, ce qui rend leur inactivation injustifié. VII. Inactivation de l'X pathologique : Méthode d'étude de l'inactivation de l'X Cytogénétique : étude de l'inactivation de l'X basée sur l'asynchronie de réplication des deux X et la coloration différentielle des segments à réplication tardive (incorpore du BrdU et le X inactif devient pâle). En biologie moléculaire: étude de la différence de méthylation entre l’X inactif et l’X actif. De nombreuses pathologies sont liées au chromosome X : • Anomalies chromosomiques de nombre (syndrome de Turner) et de structure (chromosomes anormaux, délétions...). • Maladies géniques: hémophilie, myopathie de Duchenne, certains retards mentaux, maladies récessives ou dominantes liées au sexe. Les conséquences de ces anomalies génétiques vont dépendre en grande partie de ces 2 mécanismes : • Le biais d’inactivation. • Les disomies fonctionnelles. 1) Le biais d’inactivation : Chez la plupart des femmes, l’inactivation au hasard de l’un des X aboutit dans les tissus matures à une représentation à peu près égale des X actifs d’origine paternelle et des X actifs d’origine maternelle. La femme est donc une véritable mosaïque physiologique, ce qui veut dire qu’elle a : • Une certaine proportion de cellules (50%) dans lesquelles son chromosome X d’origine paternelle est fonctionnel. • Une certaine proportion de cellules (50%) dans lesquelles son chromosome X d’origine maternelle est fonctionnel. Donc, chez les femmes porteuses d’une mutation liée à l’X, la proportion de cellules fonctionnellement normales est généralement suffisante pour les protéger des effets cliniques de cette mutation. Rarement, des femmes peuvent présenter les signes cliniques d’une maladie récessive liée à l’X en raison d’un biais d’inactivation au détriment de l’X non muté. On parle de biais d’inactivation lorsque plus de 70% des cellules ont le même chromosome inactivé. 18/20 GENETIQUE MEDICALE – Le support de l'information génétique - chromosomes et chromatine. Particularité des chromosomes sexuels / Inactivation du chromosome X • Translocations équilibrées entre un X et un autosome : Tous les gènes de l’autosome (chromosome de droite) doivent être actifs. Or une partie de ces gènes se retrouve sur un chromosome X de la paire suite à une translocation. En théorie, dans 50% des cas, le chromosome normal sera inactivé, et donc le X actif sera celui porteur des gènes de l’autosome. Cette situation ne pose donc pas de problème car les gènes autosomiques seront ainsi actifs. En revanche dans 50% des cas, le chromosome X ayant subi la translocation sera inactivé, et le X normal s’exprimera. Il en résultera une monosomie de l’autosome pour la partie transloquée, et une disomie de l’X pour sa partie transloquée. L’individu présentera à la fois des signes de trisomie de l’X et de monosomie de l’autosome, et le phénotype sera anormal. Il y a donc un phénomène qui fait que chez ces individus, ce sera toujours l’X normal qui sera inactivé. C’est encore un biais d’inactivation. Il existe aussi des mutations comme au niveau du gène de la myopathie, il est possible qu'il y est une inactivation du chromosome qui porte l'anomalie. • Translocations déséquilibrées entre un X et un autosome : Les autosomes sont normaux alors que le chromosome X porte une partie de l'autosome. Dans ce cas, le chromosome X transloqué doit toujours être inactivé, car cela permet d'inactiver la partie anormale, sinon il y aurait une trisomie d’une partie de l’autosome, et il manquerait une partie de l’X. 2) Les disomies fonctionnelles : Pour la majorité des gènes portés par l’X, un seul allèle est fonctionnel dans les cellules somatiques. Les disomies fonctionnelles correspondent à l’expression en double dose de gènes normalement exprimés en simple dose. Le retentissement clinique est le plus souvent sévère, et elles sont rarement viables. Les exemples connus de disomies fonctionnelles viables concernent de très courts segments de l’X (le type d’inactivation aboutissant à une disomie ne concerne qu’une partie des cellules). Les anomalies chromosomiques susceptibles d’entraîner une disomie fonctionnelle sont les translocations Xautosome, les duplications de l’X et les anneaux (ce qui correspond à une cassure dans les bras du chromosome et fusion des extrémités centromériques, aboutissant ainsi à une circularisation avec perte des régions aux extrémités, qui peuvent contenir par exemple le centre d’inactivation). Celles-ci se retrouvent uniquement sur le chromosome X, en Xp ou Xq (bras court ou bras long) sinon c'est non viable. 19/20 GENETIQUE MEDICALE – Le support de l'information génétique - chromosomes et chromatine. Particularité des chromosomes sexuels / Inactivation du chromosome X Translocations déséquilibrée X-autosome avec disomie fonctionnelle : Dans cette situation, il y aura forcément une disomie fonctionnelle de l’X chez la fille et le garçon, et une perte (monosomie) du fragment de l’autosome. En effet, il ne peut pas y avoir d’inactivation de l’autosome. Cela se fait sur de petit fragment d'ADN car si cela concerne une trop grande région de l’X, la translocation sera létale, ce sont donc des situations exceptionnelles n’impliquant que de très courts segments distaux. Les anneaux de l’X dans leur forme classique sont une variante cytogénétique du syndrome de Turner. Cependant, des anneaux de l’X de très petite taille ont été décrits en association avec des syndromes malformatifs avec retards mentaux. En effet, dans certains cas, XIST est absent de ces anneaux ou non exprimé, ce qui entraîne une disomie fonctionnelle responsable des anomalies cliniques. Conclusion L’inactivation de l’X est un modèle fondamental pour l’étude de la régulation des gènes. Elle intervient de façon très importante dans le conseil génétique des maladies liées au sexe. L’inactivation au hasard protège les femmes de l’expression des maladies récessives alors que l’inactivation préférentielle de l’X anormal peut protéger les femmes de l’expression de maladies dominantes, souvent létales chez le garçon. Ces biais d’inactivation peuvent constituer un moyen indirect d’identification des femmes porteuses d’une mutation. Le conseil génétique dans les anomalies chromosomiques impliquant un X est complexe et doit tenir compte des types d’inactivation possibles chez les enfants de sexe féminin. 20/20
