Architecture du noyau
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Architectures nucléaires Caroline Hartmann 2016 I - introduction Noyau Organite très structuré qui comporte des compartiments sans membrane (« cores, bodies »,corps ou granules) Architecture du noyau Noyau Le rôle de ces compartiments est de rassembler dans une même site l’ensemble des molécules nécessaires à une fonction donnée Fonctions cellulaires exercées au sein du noyau Dans les cellules la position, la forme et la taille du noyau ne sont pas toujours les mêmes - Méristème : noyau majoritairement sphérique - Épiderme de tige: noyau minoritairement sphérique - Épiderme et cortex de racine: noyau en fuseau // à la stèle -Taille maximum du noyau : trichome -Taille minimum du noyau : cellule de garde Dans les cellules la position, la forme et la taille du noyau ne sont pas toujours les mêmes - Méristème : noyau majoritairement sphérique - Épiderme de tige: noyau minoritairement sphérique - Épiderme et cortex de racine: noyau en fuseau // à la stèle -Taille maximum du noyau : trichome -Taille minimum du noyau : cellule de garde Le noyau se repositionne grâce au cytosquelette lors des divisions déterminantes Les compartiments sont en mouvement dans le noyau Cellules cancéreuses, l’architecture du noyau est altérées. Cette altération est en partie responsable de l’expression différente du génome II - Enveloppe et pores nucléaires A- la membrane nucléaire www.boundless.com Les protéines de l’enveloppe jouent dans la forme du noyau Taille environ 125 MDa vertébrés /plantes http://www.ks.uiuc.edu http://edincell.bio.ed.ac.uk Lamines (protéines filamenteuses) http://jcs.biologists.org/content/125/9/2087/F1.poster.jpg Actine F Wikipedia Lamines - Lamines types A/C Seulement dans certains types cellulaires Proviennent d’un épissage alternatif du même gène - Lamines type B Dans tous les types cellulaires Forme du noyau Réorganisation du génome Formation d’hétérochromatine au niveau de la lamina LAD : lamine associated domains NAD : nucleolar associated domains http://jcs.biologists.org/content/125/9/2087/F1.poster.jpg Gradient d’expression dans le noyau Près de l’enveloppe : - région pauvre en gènes se répliquant tardivement présentant une faible expression Au centre du noyau : - région riche en gènes se répliquant précocémment présentant une forte expression Les mutants de lamines présentent une forte expression de gènes normalement silencieux Les plantes pas de lamine Des protéines, avec des structures moléculaires similaires à celles des lamines ont été identifiées chez At Protéines LINC Double mutant linc1-linc2-1 est très petit avec de petits noyaux Des protéines filamenteuses tapissant la membrane interne semblent donc indispensables au bon fonctionnement du noyau Noyau Enveloppe Membrane interne Membrane externe reliée au cytosquelette reliée au nucléosquelette Périplaste : réserve de Ca++ Le complexe SUN-KASH relie le nucléosquelette avec cytosquelette Tatout et al., 2014 Ceci est vrai aussi bien chez les animaux que chez les plantes II - Enveloppe et pores nucléaires B- les pores nucléaires Taille environ 125 MDa vertébrés /plantes (environ 30 protéines) tabac xenopus Les deux types de Nups - Nups en gris : protéines très stables maintenues pendant plusieurs cycles cellulaires - Nups en vert : riche en « phenylalanine et glycine repeat » protéines avec des mouvements très rapides. Elles sont impliquées dans la perméabilité des macromolécules import Séq NLS export Séq NES Estimation, environ 800 translocations par pore et par seconde Les gènes au voisinage des pores sont activement transcrits Karyopherines = protéines cargo spécifiques pour chaque type d’ARN Différenciation cellulaire : rôle de l’EN et des pores Cellules : souche myotube Symbiose chez les plantes épithéliale Différenciation cellulaire : rôle de l’EN et des pores Cellules : souche myotube épithéliale Certaines Nups interagissent avec des remodelleurs de la chromatine La région périnucléaire est inactive d’un point de vue transcriptionnel Cellule ne synthétisant pas l’hémoglobine : -les régions comportant les gènes impliqués dans cette synthèse se trouvent à la périphérie du noyau Cellule synthétisant de l’hémoglobine : -les régions comportant les gènes impliqués dans cette synthèse se trouvent à l’intérieur du noyau La région périnucléaire est inactive dun point de vue transcriptionnel Chez la souris des fusions traductionnelles avec une protéine lamine de la périphérie du noyau Silencing même avec un promoteur constitutifs également vrai chez Arabidopsis La région périnucléaire est inactive d’un point de vue transcriptionnel Sauf pour les transcrits fixés aux paniers des pores Des analyses par puce ont révélé une expression très active de cette classe d’ARNm Mutations dans des gènes codant des protéines des pores Homme Plantes • Maladies génétiques • Problèmes : - développement - signalisation auxine et ABA - réponses aux pathogènes III – les territoires chromosomique Hybridation in situ et chromosome painting wikipedia Notion de territoire suggère que la fibre chromatinienne se replie sur elle même Hybridation in situ et « chromosome painting » Noyau de cellule humaine (22 chromosomes plus X et Y) Speicher & Carter 2005 Organisation radiale des CT - Périphérie : Chromatine inactivée ou pauvre en gènes - centre : Chr riche en gènes Espace interchromatinien Les territoires chromosomique sont des unités de régulation Territoires chromosomiques Le territoires se mettent en place lors des divisions déterminantes Lors de la différenciation il y a changement de l’architecture du noyau plasticité de l’architecture Ce sont les loci et la fixation de TF sur la chromatine qui est à l’origine du positionnement des chromosomes Architecture du noyau La conservation de l’organisation chez tous les organismes pluricellulaires suggère une fonction importante dans la régulation De l’expression des gènes mais également dans les fonctions du noyau IV -Les domaines du noyau A- formation des « compartiments » Les domaines nucléaires Chez les animaux • Nucléole • Cajal • Speckles • Polycomb ------------------------------------• Paraspeckles • Promyelocytic leukemia (PLM) Chez les plantes • Nucléole • Cajal • Speckles • Polycomb • ---------------------------------• Dicing • Photobodies • Cycling containing bodies • A kinase interacting AK1P1 Le nombre, la morphologie des « bodies » dépend du type cellulaire et de son métabolisme Formation des corps protéiques Compartiments (domain, core, body) ont pour but de concentrer les protéines ou les ARNs impliqués dans une même fonction Les compartiments se forment quand il y a un flux de protéines et d’ARN Formation des corps protéiques Compartiments (domain, core, body) ont pour but de concentrer les protéines ou les ARNs impliqués dans une même fonction Ils se formeraient tout seul (self-organisation) Formation des corps protéiques Le turn-over dynamique et les flux constants permettent de réagir rapidement aux changements pour adapter les fonctions du noyau aux contraintes de l’environnement ou du cycle cellulaire Formation des corps protéiques Le turn-over dynamique et les flux constants permettent de réagir rapidement aux changements pour adapter les fonctions du noyau aux contraintes de l’environnement ou du cycle cellulaire Le nombre, la morphologie des compartiments dépendant du type et du métabolisme cellulaire IV -Les domaines du noyau A- méthodologie Les outils Protéines de fusion fluorescentes : - GFP - RFP - YFP - CFP Spectres d’excitation et d’ émission différents Sleeman & Trinkle-Mulcahy, 2014 Les outils FRAP = Fluorescence Recovery After Photobleaching La fluorescence dans une région de la cellule est décolorée par un pulse laser. La recoloration de la région décolorée correspondra à des mouvements de protéines provenant de régions de la cellule non décolorée. Ceci permet - de suivre le trafic cellulaire et de déterminer les paramètres de diffusion, - de déterminer le taux des protéines libres (mvt) et complexées (immobiles) Les outils FLIP = Fluorescence loss in Photobleaching Cette technique est complémentaire de la précédente. La fluorescence, dans une région de la cellule, est décolorée en permanence. La perte de coloration dans les régions non décolorées permet d’observer le mouvement des protéines. Les outils BiFC = Bimolecular Fluorescence complementation Les deux moitiés de la protéine fluorescente sont accrochées à deux protéines sensées interagir. Lors de l’interaction, si les deux moitiés sont suffisamment proches, il y aura fluorescence. Cette technique permet de visualiser des complexes transitoires ou des interactions faibles. Des adaptations permettent d’observer des interactions ARN-protéine Les outils FRET = Fluorescence resonance energy transfer Utilisé pour déterminer la proximité de deux fluorophores (donneurreceveur) couplés à des protéines d’intérêts. A 10nm de distance le donneur peut exciter le receveur émission de lumière. Cela permet de déterminer la distance entre les deux molécules. IV -Les domaines du noyau B- les compartiments Le nucléoles Site de la synthèse et de la modification des ARN Clusters 26S-5,8S-18S Clusters 5 S nucléole Transcription des unités ADNr par la RNA Pol I Site multifonctionnel (mitose, réplication, réparation et réponse aux stress) Sa morphologie et le nombre dépendent du type cellulaire nucléole At = 217 protéines Hs = 692 protéines speckles La taille, les formes et le nombre sont variables en fonction du type cellulaire ,de l’activité transcriptionnelle et du métabolisme Epissage des transcrits speckles Granules de taille et formes variables Ils comportent : - les éléments du spliceosome - des protéines SR (riches en sérine et argine) - ARNnc Malate1 (chez les mammifères) speckles Granules de taille et forme variables Souris:146 protéines dont 54% impliquées dans l’épissage Analyse du protéome des speckles Chez les plantes : - nombre et taille dépendent du type cellulaire - état transcriptionel et métabolique des cellules Petits speckles dans les cellules méristèmatiques Speckles particuliers lors d’infection virale Analyse du protéome des speckles Marqueurs = protéines riche en sérine et arginine (SR) Chez les plantes : - nombre de protéines SR >> homme - expression spatio-temporelle très variable Des protéines SR spécifiques de l’épissage de certains ARNm pourraient exister chez les plantes protoplasme Paraspeckles - Rétention nucléaire d’ARN - Édition des ARN Modèle proposé pour la formation des paraspeckles Sleeman & Trinkle-Mulcahy, 2014 Modèle proposé pour la formation des paraspeckles Merge NEAT1 Chujo &YamasakI & Hirose, 2016 Sleeman & Trinkle-Mulcahy, 2014 PSPC1 Corps de Cajal - Rôle mal connu (véhicule) - Il transporte de nombreux éléments intervenant dans la biogenèse des ARN vers les speckles ou le nucléole Corps de Cajal - Rôle mal connu (véhicule) - Il transporte de nombreux éléments intervenant dans la biogenèse des ARN vers les speckles ou le nucléole Il comporte un grand nombre de scaRNA qui sont impliqués dans l’épissage alternatif chez les mammifères. La protéine coiline qui est le marqueur des corps de Cajal pourrait intervenir dans la biogenèse des scaRNA Dicing Bodies Les photorecepteurs - les phytochromes, sensibles à la lumière rouge/rouge lointain - les phototropines, sensibles à la lumière bleue - les cryptochromes, sensibles à la lumière bleue et ultraviolette. 660 nm Pfr Pr inactive 730nm active Rapide translocation dans le noyau Culture dans différentes intensités de lumière rouge Régulation de la quantité de phytochromes par séquestration Ces bodies seraient le siège de la destruction des phytochromes Pour être actif les phytochromes doivent être intégrés dans des Photo-corps Les usines de transcription Transcription factories Morimoto & Boerkoel, 2013
