chromatine et adn
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Chromatine et ADN : I- Composition en base : 4 bases : AGTC . La concentration en A est toujours égale à la concentration en T et la concentration en C est égale à la concentration en G. La concentration en base purique est égale à la concentration en base pyrimidique. → La composition en base d’un ADN varie selon l’espèce considérée. II- Structure en double hélice : (poly) Watson et Crick ont imaginés la double hélice d’ADN (prix Nobel 1953) Découvert grâce aux diagrammes à rayons X. La double hélice d’ADN est une sorte d’escalier en colimaçon tournant autour d’un axe. Les bases hydrophobes sont à l’intérieur de cette double hélice et les chaînes des désoxyriboses phosphates sont à l’extérieur. Les bases appariées (plateau de base) sont perpendiculaires à l’axe des chaînes des désoxyriboses phosphate qui elles sont parallèles à l’axe. La double hélice comprend un petit et un grand sillon (plus accessible aux interactions protéines-ADN). Les deux chaînes sont complémentaires, elles sont réunies par des liaisons hydrogènes entre bases complémentaires. Il y a deux liaisons hydrogène entre A et T et trois entre G et C. Les 2 chaines ne sont pas identiques mais complémentaire La complémentarité est absolue et explique pourquoi la concentration des bases puriques est égale à la concentration en base pyrimidique. Les plateaux de bases (marche d’escalier) ont tous la même dimension car il y a toujours association de petites bases avec des grandes (pyrimidique avec purique). Les appariements GC sont plus solides (liaison + importante) que les appariements AT. Chaque liaison hydrogène est faible (1/20 d’une liaison covalente) mais du fait de leur grand nombre elles assurent une grande cohésion interne à cette double hélice. Elles sont dans le même plan que les bases et elles assurent la coplanarité des base. L’existence de ces liaisons favorise cette conformation. Sinon on peut avoir des tautomères mutagène Les deux chaînes sont antiparallèles ou de polarité inverse (parallèle en sens inverse: une dans le sens 5’ 3’ et l’autre dans l’autre sens). Elles ont une configuration hélicoïdale (poly) : la double hélice s’enroule autour d’un axe central imaginaire. Néanmoins, deux configurations sont possibles : le pas de l’hélice est à droite (sens horaire) ou le pas de l’hélice est à gauche.(sens antihoraire) (en considérant l'hélice du bas vers le haut). → L’hélice est stabilisée par 3 liaisons . Il existe 3 types de liaisons dans la double hélice : (poly) - Liaisons hydrogènes: faibles mais nombreuses et dans un plan perpendiculaire à l’axe de la double hélice. - Liaisons hydrophobes entres parties hydrophobes de bases contiguës empilées à l’intérieur de la double hélice. Elles mettent en jeu des forces de Van der Waals. Elles sont faibles mais nombreuses. Elles suivent l’axe de la double hélice contrairement aux hydrogènes. - Liaisons ioniques entre le squelette phosphodiester porteur de charges négatives à pH = 7 et des cations (en général Mg++) . Ces liaisons stabilisent fortement la double hélice et empêchent la répulsion des groupements phosphodiesters entre eux. III- Les isoformes de l’ADN : • l’ADN B : Isoforme la plus répandue chez les eucaryotes. C’est une hélice dont le pas est à droite et c’est la forme hydratée de la molécule native. Diamètre de 2,4 nm. Le nombre de paire de base par tour d’hélice est de 10,4. Chaque plateau de base tourne de 34°6 par rapport au précédant (360°/34,6° = 10,4). Le pas de l’hélice (hauteur nécessaire pour faire un tour complet) est de 3,4 nm donc hélice rallongée de 0,33 nm par chaque paire de base formée. (3,4/10,4 = 0,33) → La conformation de la liaison glycosidique est ANTI. • l’ADN A : C’est une forme moins hydratée que l’ADN B, elle est plus compacte (11 paires de base par tour), plus volumineuse avec un diamètre plus large. Le pas de l’hélice est également à droite. La conformation est aussi ANTI. Son existence in vivo n’est pas démontré, mais on sait que les hybrides ADN/ARN adoptent une conformation très proche de cet ADN A. • L’ADN Z : Le pas de l’hélice est à gauche, elle est plus étirée avec 12 paires de bases par tour et un pas de l’hélice de 4,5 nm et avec un diamètre plus petit et des bases plus éloignées. Les groupements du désoxyribose phosphate se disposent en zigzag (d’où le nom d’ADN Z ). La conformation glycosidique peut être soit ANTI soit SYN. Son rôle serait d’intervenir dans la régulation de l’expression des gènes. Les désoxycytidine ou désoxythymidine (pyrimidique) sont en conformation ANTI alors que les désoxyguanosine et désoxyadénosine (puriques) sont en SYN. C’est cette alternance qui donne l’apparence de zigzag. Cette isoforme n’est pas aléatoire mais située dans des zones précises au voisinage des centromères des chromosomes et dans les portions d’ADN riche en GC. L’ADN contient non seulement une information codante (qui dirige la synthèse d’ARN) mais également une information conformationnelle (non codante) due à certaine séquence nucléotidique (GC). IV- Formes surenroulées de l’ADN : De nombreuses molécules d’ADN intactes sont circulaires (elles n’ont pas d’extrémités sans pour autant être un cercle) comme pour l’ADN bactérien. La conversion du double brin d’ADN linéaire en une molécule fermée circulaire fait apparaitre une propriété nouvelle : l’axe de la double hélice peut s’enrouler ou non sur lui même pour former : - Soit il n’y a pas de super-enroulement : on a un état relâché (ne veut pas dire déstructuré) : L (enlacement) = T (tours) car W(wrille) =0 - Soit une super hélice / surenroulement : qui peut être positif = le nombre d’enlacement a été augmenté et conduit à la formation d’une super hélice positive. Ou bien il peut être négatif, le nombre d’enlacement a diminué : l’axe de la double hélice s’enroule selon une super hélice négative. La formation d’une superhélice influence le degré d’enroulement de la double hélice. Ainsi, un surenroulement négatif de l’axe de l’ADN peut être associé à un déroulement du double brin. T= nombre de tours de l’axe de la double hélice W= nombre de vrilles, c’est là où l’on peut influer le nombre de vrilles (en positif ou en négatif) Si elle possède 25 tours, on aura un cercle relâché = le nombre d’enlacement est égale aux nombres de tours. Dans le cercle déroulé, on a un déroulement du double brin et donc on a moins de tours (supertours négatifs permet l’accès a des protéines). Deux molécules d’ADN circulaire ayant exactement la même séquence de base mais qui diffère par le nombre d’enlacement s’appelle des topoisomères. Les enzymes qui contrôle le nombre d’enlacement sont des topoisomérases. En l’absence d’enzyme, lorsque les extrémités de l’ADN sont fixes, le nombre d’enlacement est constant. Quelque soit les déformations que l’on fasse subir à cet ADN, on ne changera pas le nombre d’enlacement. Le changement du nombre de paire de base par tour en un endroit d’une boucle d’ADN sera donc nécessairement compensé par un surenroulement opposé. Chez les eucaryotes les ADN ne sont pas circulaires (mais se comportent comme tel) et n’ont pas d’extrémité car chaque extrémités est fixe, liée à un point d’ancrage. A) Action des topoisomérases : Ce degré de surenroulement est sous le contrôle d’enzyme spécifiques qui s’appellent les topoisomérases. Elles sont présentes chez les eucaryotes et les procaryotes. On distingue 3 étapes : - Un clivage d’un seul ou des deux brins d’ADN - Passage d’un segment d’ADN à travers la brèche - Recellement de la brèche. 2 types de topoisomérases : • Topoisomérases De type I : Clive un seul des deux brins d’ADN : toujours enzyme relâchant, c’est à dire qu’ils ramènent l’ADN surenroulé à sa conformation initiale (surenroulé à relâché). Elle fonction sans ATP, sans énergie. Elle va dans le sens naturelle de la double hélice. • Topoisomérases De type II : Clive deux brins d’ADN. Elles démêlent les noeuds d’ADN en présence d’ATP. Elles peuvent introduire des supertours négatifs ou positives en maintenant fermement l’ADN pour qu’il ne puisse pas tourner. Dans ces topoisomérases de type II, on retrouve une particulière qui est la gyrase bactérienne qui permet d’introduire uniquement des supertours négatifs dans une double hélice. Certains antibiotiques vont bloquer les topoisomérases de type II . B) Convention des désignations des superhélices (+) ou (-) (poly): L’ADN surenroulé a une structure plus compact que sa forme relâchée. Elle permet l'empaquetage d’une très longue molécule d’ADN sous un tout petit volume. On peut visualiser les différentes formes surenroulées par électrophorèse. Les formes surenroulées migrent plus vite que les formes partiellement surenroulées ou relâchées. Les topoisomérases sont indispensables à la réplication, la transcription et la réparation de l’ADN. De nombreuses protéines indispensables à tous ces mécanismes ne se lieront à l’ADN que s’il est enroulé négativement. Il existe des médicaments qui sont des inhibiteurs spécifiques de ces topoisomérases (antibiotiques, anticancéreux..) . V- Chromosomes et chromatine : Tous les organismes eucaryotes ont élaboré des manières d’empaqueter l’ADN dans les chromosomes. Chez l’Homme, 46 chromosomes par cellule diploïde qui ne sont visibles qu’au moment de la division cellulaire et ils représentent la forme la plus compact de l’ADN. Il y a des protéines qui se fixent sur l’ADN pour former les chromosomes appartiennent à 2 grandes classes : les histones et protéines chromosomiques non histones. Le complexe formé entre ces protéines et l’ADN nucléaire est appelé chromatine. L’empaquetage de l’ADN autour des histones forme le nucléosome qui est le premier niveau le plus fondamental de l’organisation chromosomique. A- L’histone : Le noyau d’histone est un assemblage de 8 protéines (2x4), il à la forme d’un disque autour duquel s’enroule l’ADN. Les 4 histones qui constituent le noyau du nucléosome sont des petites protéines (très riche en AA basiques) qui partagent un même type structural appelé replis d’histone formé de 3 hélices alpha connectées par 2 boucles. Pour assembler un nucléosome, les replis d’histones s’unissent d’abord l’un à l’autre pour former des dimères : H3-H4 et H2A-H2B. Les dimères H3-H4 s’associent pour former un tétramère H3-H4. Il se combine avec deux dimères H2A-H2B pour former le noyau octamérique compact autour duquel s’enroule l’ADN. Neutralise les charges négatives par les charges positive des noyau histones. En plus de son replis d’histone, chaque histone présente une longue queue terminale d’acides aminés qui s’étend à l’extérieur du noyau ADN/histone. Ces queues peuvent être soumises à des modifications covalentes post traductionnelles (acétylation, méthylation, phosphorylation) qui contrôlent de nombreux aspects de la structure de la chromatine. Les histones font parties des protéines eucaryotes les plus hautement conservées. B- La fibre de chromatine : La chromatine est sous deux formes pendant l’interphase : - Une fibre de 11 nm de diamètre (ou en perle enfilées) . C’est le premier degré de compaction de l’ADN (les perles représentent les nucléosomes qui se répètent à intervalle de 200 paires de nucléotides (sachant que 150 paires sont autour du noyau d’histone et 50 entre les nucléosomes). L’ADN entre deux nucléosomes peut varier selon une Dnase de quelques paires de base jusqu’à 80 paires de bases. Chez l’homme on compte environ 3 millions de nucléosomes. (6,4 .109 paires de nucléotides.) - Les nucléosomes sont placés les uns au dessus des autres pour former des rangs réguliers dans lesquels l’ADN est plus fortement condensé. La fibre de 30 nm est due à une histone H1 plus grosse que les histones du coeur du nucléosome. H1 se fixe à la fois sur l’ADN et sur les protéines et elle réunit les nucléosomes dans cette fibre de chromatine de 30 nm. Due aussi aux queues des histones du noyau qui facilitent la fixation internucléosome. C- Les boucles larges d’ADN chromosomique : Pour assurer une compaction supplémentaire, l’ADN forme de larges boucles dont chaque extrémités est liée par des protéines à l’axe central du squelette du chromosome. Ils vont permettre de déplacer le nucléosome le long du bras d’ADN. Le chromosome : Cette structure s’enroule en une large hélice compactée dans chacune des chromatides des chromosomes métaphasiques. L’ADN des chromosomes a été compacté 10.000 fois. On distingue plusieurs régions : - Un centromère impliqué dans la séparation des chromosomes et la formation du fuseau mitotique. Chez l’homme les centromères sont situés dans une zone répétitive de l’ADN non codant dont la taille est entre 0,25 à 3 mégabase. - Les télomères sont des séquences sur lesquelles se fixent de nombreuses protéines pour éviter les phénomènes de recombinaison et de dégradation. Ils contiennent en particulier les séquences télomériques et qui sont répliquées par une ADN polymérase particulière : la télomérase. Pendant les phases G1 S et G2, les chromosomes sont décondensés et majoritairement sous la forme de fibres de 30 nm. En métaphase, les chromosomes se forment et contiennent deux copies de molécules d’ADN maintenues ensemble au niveau du centromère. VI- La dynamique de la chromatine et remodelage de la chromatine : La dynamique de cette chromatine influe sur toutes les fonctions du génome (réparation réplication transcription). Dans le noyau interphasique, la chromatine est répartie en euchromatine qui est active et qui contient l’essentiel du génome fonctionnel et représente la partie décondensée de l’ADN pendant l’interphase. Il y a aussi l’hétérochromatine qui est très condensée, difficilement accessible, fortement méthylée et reste condensé pendant l’interphase et à une réplication plus tardive. Le remodelage est assuré par des complexes de remodelage de la chromatine: - 1er mécanisme : soit il met en jeu un glissement de l’octamère le long de l’ADN - Transfert complet d’un nucléosome vers les autres régions - Remodelage local de l’ADN encore fixé sur le nucléosome. 2ème mécanisme : Les séquences qui n’ont pas d’activité promotiques mais elle augmentent considérablement l’activité du chromoteur qu’elle régules car elle fixe des protéines qui modifient la structure de la chromatine locale 3ème mécanisme : modification post traductionnel des histones: elle affectent la structure de la chromatine Ces modifications des histones sont de 3 types : - Acétylation (en général sur Lysine) - Méthylation (sur Lysine ou Arginine) - Phosphorylation (Sur Sérine) Lorsque les histones sont acétylés ou méthylés augmente, ça correspond à de la chromatine transcriptionnellement active et décondensée. Ces processus ont tendance à neutraliser les charges positives des histones, diminuant ainsi leurs interactions avec l’ADN. La méthylation lorsque elle est sur un lysine ou arginine active la transcription, mais pas toujours. Les acétylations sont ajoutées et retirées par des enzymes. La première est l’histone acétyl transférase ou HAT qui ajoute un groupement acétyl aux histones. Les histones désacétylases ou HDAC qui l’enlèvent. Les histones méthylase qui ajoute un groupement méthyl. 4ème mécanisme: Les modification de l’ADN et la méthylation de l’ADN Pas du au hasard, se situe au niveau des cytosine. Les CG sont méthylé au niveau C5 par des méthyl transférase spécifique. Chez les mammifères, 70% de ces séquences CG sont méthylés sur la cytosine C5. LA distribution des CG n’est pas uniforme. Désamination oxydatif : cela aboutit à une thymine entrainant une mutation Les ilots CG sont situés dans les régions régulatrices des gènes dans le génome, en particulier les extrémités 5’ des gènes. Beaucoup d’ilots CG ont été transformé en TG. La méthylation dans ces régions est variable: on a une hypométhylation ou une hyperméthylation. Le groupement méthyl, quand il se projette dans le grand sillon, va interférer avec la liaison des protéines et c’est en ça que l’expression des gènes est modifiée. La méthylation de ces ilots CG est associé à une diminution de l’expression des gènes (hyperméthylation = extinction du gène) La méthylation de l’ADN et les modifications post traductionnelles font parties des mécanismes épigénétiques qui interviennent dans la régulation de l’expression des gènes mais qui peuvent être aussi perturbés et contribuent à la physiopathologie de nombreuses maladies. In vitro : on a une plus grande fréquence de maladie du à des troubles épigéniques. Ces modifications sont impliquées dans le remodelage des nucléosomes qui permet: une modification de l’accessibilité de l’ADN aux protéines lors de la régulation de la transcription, réplication, réparation. Elle permet de catalyser des modifications dans le positionnement des nucléosomes le long de l’ADN. Les complexes de remodelage de la chromatine sont de gros complexes protéiques qui peuvent contenir plus de 10 protéines et qui peuvent avoir des caractéristiques spécifiques selon la tâche. VII- L’ADN mitochondriale : Les mitochondries ont leur propre génome et l’ADN mitochondrial humain est un ADN circulaire double brin d’environ 16,5 kilo base. Les deux brins ont une densité différente en gradient de chlorure de césium : - Le brin H (heavy) le plus lourd le plus riche en guanine. (purique) - Le brin L (light) le plus léger le plus riche en cytosine. (pyrimidine) Ces deux brins sont codants, ils portent des gènes qui seront transcrits et traduits. Ce génome mitochondrial est très compact (pas de zone intergène) et il comporte 37 gènes : - 13 gènes qui codent pour 13 protéines de la chaîne respiratoire mitochondriale. - 22 qui codent pour des ARNt. - 2 gènes codant pour l’ARNr 12s et 16s. (ribosomes mitochondriaux) Ces gènes n’ont pas de régions introniques ni de régions intergènes sauf une région de 1000 paires de bases impliquées dans la régulation de la réplication et de la transcription qu’on appelle la boucle D. Les 22 gènes qui codent pour des ARNt alternent avec les gènes codant pour les protéines. Toutes les autres protéines mitochondriales (environ 300) sont codées dans le noyau. Une toute petite quantité de protéines sont codées dans la mitochondrie. A- La réplication du génome mitochondriale : Deux origines de réplications : - OH origine de réplication du brin lourd située dans la région régulatrice. - OL origine de réplication du bras léger située à environ 5000 bases de la première. La réplication est bidirectionnelle et asynchrone : le brin H (lourd) est répliqué dans le sens horaire et le brin L dans le sens anti-horaire quand la polymérase du brin H est passé et a dévoilé l’origine de réplication du brin léger. La réplication du brin lourd démarre à partir d’une amorce d’ARN synthétisé par une primase nucléaire. B- La transcription : La transcription est sous le contrôle de 2 promoteurs : le promoteur du brin lourd et celui du brin léger situé dans la boucle D. La transcription de chaque brin se fait dans une direction opposée. Elle est réalisée par l’ARN polymérase et aboutit à la synthèse de transcrit primaire qui adoptent une structure tridimensionnelle et sont clivés par une RNase au niveau de leur extrémité 5’ et 3’. Puisque les ARNt touchent les ARNm et ARNr, leur clivage libère les ARNm (qui code pour protéines mitochondriales) et ARNr. Les ARNt vont acquérir une séquence CCA en 3’ les ARNm vont eux être polyadénylés (ils vont acquérir une queue poly A ), ils n’ont pas d’introns ni de coiffe. C- La traduction : Cette traduction comporte une grande similitude avec la traduction chez les bactéries : - Elle se fait dans des ribosomes de 55s particuliers à la mitochondries. - L’initiation de la traduction se fait par la formyl méthionine comme chez les procaryotes. - Le code génétique est légèrement différent à celui des gènes nucléaires. (pas savoir le tableau code génétique des mitochondries). Pas d’interfranges de traduction En conséquence, les ARNm cytoplasmiques ne peuvent pas être traduits dans les mitochondries et les ARNm mitochondriaux ne peuvent pas être traduits dans le cytoplasme. D- Hérédité de l’ADN mitochondrial : C’est une hérédité maternelle liée au cytoplasme de l’ovule qui contient des centaines de milliers de génome mitochondriaux alors que le spermatozoïde n’en contient que quelques dizaines. Il existe des mutations de l’ADN mitochondrial qui sont à l’origine de maladies mitochondriales et dont la transmission est forcément maternelle.
