Atlas of Genetics and Cytogenetics in Oncology and Haematology


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Hétérochromatine, du Chromosome à la Protéine

I Le concept d'hétérochromatine

II  Deux types d'hétérochromatine

II.1 Richesse en ADN satellite

II.2 Stabilité

II.3 Polymorphisme

II.4 Coloration en bandes C

 III  Propriétés de l'hétérochromatine

III.1 L'hétérochromatine est condensée

III.2 L'ADN de l'HC est de réplication tardive

III.3 L'ADN de l'HC est méthylé

III.4 Les histones de l'HC sont hypo-acétylées

III.5 Les histones de l'HC sont méthylées sur la lysine 9

III.6 L'HC est transcriptionnellement inactive

III.7 L'HC ne participe pas à la recombinaison génétique

III.8 L'hétérochromatine a  l'instinct grégaire

IV Facteurs impliqués dans l'hétérochromatinisation

IV.1 Les séquences répétées en tandem, un grand nombre de fois

IV.2 La méthylation de l'ADN

IV.3 L'organisation régulière des nucléosomes

IV.4 L'hypo-acétylation des Histones

IV.5 La méthylation de H3-K9

IV.6 Les protéines HP1

IV.7 Les ARNs nucléaires

V Fonctions de l'hétérochromatine

V.1 Rle de l'HC dans l'organisation des domaines nucléaires

V.2 Rle de l'HC dans la fonction centromérique

V.3 L'HC  centromérique joue-t-elle un rle de transporteur?

V.4 Rle de l'HC dans la répression génique (régulation épigénétique)

VI Maladies de l'hétérochromatine

VI.1 Maladies de l'hétérochromatine constitutive

VI.2 Maladies de l'hétérochromatine facultative

Conclusion

Version courte

English

*

 

I Le concept d'hétérochromatine

Définition de la chromatine:

Chez les procaryotes comme Escherichia Coli, il n'y a pas de structure hétérochromatique décelable pour la simple raison que la chromatine elle-même n'existe pas. Le message héréditaire est porté par une molécule d'ADN nu, de forme circulaire et il n'y a même pas de compartiment nucléaire individualisé.

La situation est très différente chez les eucaryotes, o l'ADN est empaqueté sous forme d'un complexe nucléo-protéique appelé ''. C'est donc la chromatine qui porte le message héréditaire. Elle est localisée dans un noyau et apparat organisée en plusieurs entités distinctes que sont les chromosomes.

 

Le concept d'hétérochromatine

Le concept  d'hétérochromatine, proposé par Emil Heitz en 1928, était basé sur des observations exclusivement histologiques. Il définit l'hétérochromatine (HC) comme les segments de chromosome qui apparaissent très condensés et très colorés dans le noyau interphasique. L'euchromatine, ou chromatine vraie, occupe le reste du noyau, présente un aspect diffus et apparait relativement peu colorée.

Les observations de HEITZ mettaient bien en valeur le fait que la chromatine, dans le noyau interphasique, n'a pas un aspect homogène. La microscopie électronique et les méthodes de diffraction aux rayons X ont depuis confirmé la structure hétérogène de la chromatine: elle se présente comme un enchevêtrement de fibres dont le diamètre varie, non seulement au cours du cycle cellulaire, mais aussi en fonction des régions chromosomiques observées.

 

II  Deux types d'hétérochromatine

Il existe deux types d'hétérochromatine, l'HC constitutive et l'HC facultative, qui présentent quelques rares différences, essentiellement liées à l'ADN qu'elles contiennent. La richesse en ADN satellite conditionne, en effet, la permanence ou la réversibilité de l'hétérochromatine, son polymorphisme éventuel et ses propriétés tinctoriales (Table I).

Table1 : Propriétés permettant de différencier l'hétérochromatine constitutive de l'hétérochromatine facultative.

 

II.1 Richesse en ADN satellite:

 

II.2 Stabilité :

 

II.3 Polymorphisme:

 

II.4 Coloration en bandes C:

 

 

 III  Propriétés de l'hétérochromatine

En dépit des quelques différences que nous venons de voir, l'HC constitutive et l'HC facultative ont des propriétés trés similaires.

 

III.1 L'hétérochromatine est condensée :

C'est la définition même de l'hétérochromatine et elle s'applique aussi bien à l'HC constitutive qu'à l'HC facultative. Cette forte condensation entrane une intense chromophilie, et le degré de coloration de l'HC est directement proportionnel à son degré de condensation. La forte condensation de l'HC entrane une deuxième conséquence, qui est de la rendre inaccessible à la DNAse 1 et aux enzymes de restriction en général.

 

III.2 L'ADN de l'HC est de réplication tardive:

L'incorporation de différents analogues des nucléotides montre que l'ADN contenu dans l'HC, facultative et constitutive, a une réplication tardive. L'ADN de l'X inactif se réplique très tardivement, généralement à la fin de la phase S tardive. L' incorporation de 5-Bromodéoxyuridine quatre heures avant le harvesting permet de visualiser clairement cette réplication tardive.  En ce qui concerne les régions centromériques, leur réplication précède celle de l'X inactif, et prend place en début de phase S tardive. L'ADN des centromères doit, en effet, se répliquer suffisamment tt pour former, avec les protéines centromériques, un complexe nucléo-protéique fonctionnel à la mitose.

 

III.3 L'ADN de l'HC est méthylé:

 

III.4 Les histones de l'HC sont hypo-acétylées:

Les histones peuvent subir des modifications post-traductionnelles, portant sur leurs extrémités N-terminales et susceptibles d'influer sur l'activité génétique de la chromatine.

 

III.5 Les histones de l'HC sont méthylées sur la lysine 9:

Cette modification de la queue N-terminale des histones a trés récemment été découverte et impliquée dans les processus d'hétérochromatinisation du génome. Elle caractérise aussi bien de l'HC constitutive que l'HC facultative.

La méthylation de l'histone H3 se produit sur un résidu très spécifique, la lysine 9, d'où son appellation H3-K9. La lysine H3-K9 peut être mono-, di- ou tri-méthylée et un degré de méthylation élevé favorise la fixation des protéines HP1 (Heterochromatin Protein 1).

 

III.6 L'HC est transcriptionnellement inactive:

L'incorporation d'uridine tritiée dans une culture cellulaire ne montre aucun marquage de l'hétérochromatine.

 

III.7 L'HC ne participe pas à la recombinaison génétique:

—› Non seulement l'HC constitutive ne participe pas à la recombinaison, mais elle a de plus un effet répresseur sur la recombinaison des régions euchromatiques adjacentes.

 

III.8 L'hétérochromatine a  l'instinct grégaire:

L'étude de différents organismes montre que l'HC constitutive a une réelle tendance à s'agréger en interphase.

Cette tendance de l'hétérochomatine à s'agréger semble être fortement liée à la présence de séquences d'ADN satellite, néanmoins, une telle propriété pourrait ne pas être exclusive et impliquer aussi d'autres séquences.

 

 

IV Facteurs impliqués dans l'hétérochromatinisation

Il existe probablement des moyens trés divers pour organiser une région du génome en hétérochromatine. Certaines observations ont cependant permis de mieux cerner les éléments ayant un rle important dans la formation d'hétérochromatine, qu'elle soit constitutive ou facultative.

 

IV.1 Les séquences répétées en tandem, un grand nombre de fois

Le fait que dans le génome humain et celui d'autres organismes, la localisation de l'ADN satellite visualisée par FISH corresponde parfaitement à celle de l'hétérochromatine constitutive colorée par le DAPI, souligne bien le rle potentiel de l'ADN satellite dans la formation de ce type d'hétérochromatine. De telles séquences d'ADN ont en effet la particularité de se courber et de se replier sur elles mêmes, et ceci pourrait jouer un rle important dans la structure très compacte que présente l'HC constitutive.

Néanmoins, il n'y a pas que l'ADN satellite qui soit concerné. Ainsi chez les plantes, la drosophile, mais aussi chez la souris, certains transgènes multicopies sont peu ou pas exprimés, alors même qu'ils ne sont pas soumis à l'effet répresseur d'un centromère.

Ces différentes observations suggèrent que la répétition d'une séquence d'ADN, en tandem, un grand nombre de fois, est capable de générer, à elle seule, la formation d'hétérochromatine. La présence d'ADN hautement répété comme l'ADN satellite, permettrait simplement d'atteindre un degré plus élevé de compactage de la chromatine, tel qu'il existe dans l'hétérochromatine constitutive. Le mécanisme proposé serait le suivant : les séquences d'ADN répétées en tandem, un grand nombre de fois, seraient capables de s'apparier, formant ainsi des structures particulières. Ces structures seraient alors reconnues par des protéines spécifiques comme les protéines HP1, et l'ensemble conduirait à la formation d'une chromatine d'un ordre supérieur.

 

IV.2 La méthylation de l'ADN

Bien que la présence de séquences répétées en tandem soit importante, elle n'est certainement pas seule en cause, puisque les larges répétitions de transgènes ne conduisent pas toutes à une inactivation transcriptionnelle de celui-ci. Le silencing induit par les répétitions en tandem apparat, le plus souvent, être lié à la présence de séquences d'ADN procaryote, donc riches en CpG, et susceptibles d'être méthylées (e.g.gène lacZ). La composition en bases des séquences répétées en tandem et notamment leur capacité à être méthylées pourrait donc jouer un rle non négligeable dans la formation d'hétérochromatine.

De façon intéressante, il a récemment été montré une relation directe entre la méthylation de l'ADN, et la de-acétylation des histones, qui toutes les deux caractérisent les structures hétérochromatiques. Ainsi, la methyl binding protein MeCP2, qui normalement se fixe à l'ADN contenant des cytosines méthylées, a été montrée être capable de recruter des histones de-acétylases. La méthylation de l'ADN pourrait ainsi induire une de-acétylation des histones et favoriser ainsi l'hétérochromatinisation (Figure 1).

Fig1: La méthylation de l'ADN provoque la de-Acétylation des histones, modification qui caractérise les histones dans l'hétérochromatine et dans l'euchromatine réprimée.
MeC2 se fixe à l'ADN méthylée et recrute une HDAC qui de-Acetyle les histones.(AC = Acetyl ; Me = Methyl ; MeCP2 = Methyl-CpG binding Protein 2 ; HDAC : Histone De-Acetylase).

Néanmoins, la méthylation de l'ADN n'est pas un élément indispensable à la formation d'hétérochromatine. Elle pourrait être un élément de stabilisation comme cela a été montré pour l'HC facultative que constitue l'X inactif. Chez les marsupiaux, en effet, l'X inactif n'est pas méthylé et il est beaucoup moins stable que chez les mammifères euthériens

 

IV.3 L'organisation régulière des nucléosomes

Nous avons vu que les séquences d'ADN procaryote insérées chez les eucaryotes avaient la capacité d'être méthylées et d'induire la formation d'hétérochromatine. L'hétérochromatinisation pourrait cependant ne pas dépendre uniquement de la méthylation des CpG contenus dans l'ADN.

Ainsi, l'étude de la chromatine de différents transgènes digérée par une nucléase de micrococcus a donné des résultats intéressants. La chromatine d'un transgène inséré dans l'HC constitutive, montre une organisation nucléosomale très régulière, beaucoup plus régulière que celle présentée par le même transgène, inséré dans l'euchromatine. Il semble qu'une telle régularité de structure soit capable, soit de prendre une conformation particulière, soit d'être reconnue par des protéines spécifiques, et in fine de favoriser la formation de structures hétérochromatiques.

 

IV.4 L'hypo-acétylation des Histones

Nous avons vu que l'hypo-acétylation des histones était une caractéristique de la chromatine silencieuse qu'il s'agisse ou non d'hétérochromatine. In vitro, la modification de l'acétylation des histones a un effet direct sur la stabilité et le compactage des nucléosomes. Ainsi, un blocage de la de-acétylation des histones par adjonction de trichostatine A induit une hyper-acétylation des histones, qui a pour  conséquence une ouverture de la structure chromatinienne.

Le mécanisme en est simple: dans la queue N-terminale des histones, les acides aminés basiques comme la lysine sont chargés positivement au pH cellulaire et interagissent, de ce fait, avec les charges négatives des phosphates de l'ADN.

L'hypo-acétylation des histones n'est pas la seule modification des queues N-terminales des histones qui caractérisent l'hétérochromatine. Trois autres modifications ont été montrées être plus spécifiquement liées au silencing, la phosphorylation de la serine 10 de l'histone H3, l'acétylation de la lysine 12 de l'histone H4 et la méthylation de la lysine 9 de l'histone H3 (H3-K9). Nous détaillerons plus particulièrement cette dernière .

 

IV.5 La méthylation de H3-K9

La méthylation de l'histone H3 sur la lysine 9 est une modification épigénétique des histones, trés récemment démontrée comme étant impliquée dans les processus d'hétérochromatinisation. Cette méthylation a été mise en évidence aussi bien dans l'HC constitutive que sur l'X inactif. L'enzyme responsable de la méthylation de H3-K9 dans l'HC constitutive est l'histone méthyltransférase SUV39H1.

Fig2 : La méthylation de l'histone H3-K9 provoque la méthylation de l'ADN, modofocation qui caractérise l'ADN dans l'hétérochromatine ou dans l'euchromatine réprimée.
SUVAR39H est une méthyltransférase qui méthyle spécifiquement la lysine 9 de l'histone H3. Un telle méthylation crée un site pour la protéine de l'hétérochromatine HP1qui recrute une DNA Methyl transférase (DNMT) capable de méthyler le CpG de l'ADN. (Me = Methyl ; Methyl H3-K9 = Methyl sur la lysine 9 de l'histone H3 ; HP1= Heterochromatin Protein 1).

 

IV.6 Les protéines HP1

Les protéines de l'hétérochromatine sont nombreuses et encore mal connues chez les mammifères. Cependant, les protéines HP1 semblent jouer un rle tout à fait particulier dans l'organisation de l'hétérochromatine. C'est essentiellement l'étude de la variégation par effet de position (effet PEV) chez la drosophile, puis l'étude des transgènes chez la drosophile et la souris qui ont permis de mieux connatre le rle joué par les protéines HP1.

Dans tous ces cas, les protéines HP1 ou leurs homologues, semblent constituer le maillon indispensable à la formation d'hétérochromatine. Ces protéines spécifiques de l'hétérochromatine pourraient jouer un role d'organisateur de domaine chromatinien. Ainsi, les protéines HP1 seraient capables de reconnatre des structures particulières réalisées par l'appariement et/ou l'association des séquences d'ADN répétées. De plus, elles seraient capables d'établir secondairement des liaisons avec un grand nombre d'autres protéines. Les protéines HP1 se prêteraient parfaitement bien à de telles interactions puisqu'elles possèdent deux domaines d'interaction protéine/protéine, le chromodomaine (CD) et le chromoshadow domaine (CSD).

 

IV.7 Les ARNs nucléaires

Il est déjà bien établi que certains ARN nucléaires sont capables d'intervenir dans la formation de l'HC facultative. Ainsi, les transcripts du gène XIST (Xinactif Specific Transcripts) sont des ARNs nucléaires jouant un rle essentiel dans l'inactivation facultative d'un chromosome X, qui s'établit dans les cellules somatiques des femelles de mammifère. Cet ARN XIST est nécessaire pour initier mais non pour maintenir l'inactivation de l'X. D'autres ARNs nucléaires comme H19 ont été montrés être impliqués dans la régulation des gènes soumis à l'empreinte génomique.

Certains résultats récents, obtenus chez la souris, suggèrent que des transcrits nucléaires pourraient aussi être impliqués dans la formation d'HC constitutive. Dans cette espèce, comme dans la majorité des autres espèces, l'HC centromérique est particulièrement stable. Elle est caractérisée par la présence d'une forte concentration d'histone H3-K9 méthylée et de protéines hétérochromatiques HP1, qui co-localisent dans les noyaux avec les régions fortement colorées en DAPI. Pourtant, l'incubation de cellules murines perméabilisées avec de la RNAse A provoque rapidement la délocalisation des signaux HP1 et H3-K9 méthylée, par rapport aux foci d'hétérochromatine. Ces données suggèrent donc qu'un ARN nucléaire pourrait être un composant structural essentiel de l'HC constitutive. Un tel ARN pourrait, soit faciliter le compactage de l'HC centromérique, soit servir de site de liaison additionnel pour des protéines s'associant à la chromatine.

Il est cependant étonnant de noter que ce traitement à la RNAse A n'altère pas les signaux H3-K9 méthylée au niveau du corps de Barr. En fait, sur le chromosome X inactif, la méthylation de H3-K9, qui est effective, ne semble pas entraner la présence de protéine HP1. Ceci suggère que l'hétérochromatinisation facultative de l'X inactif ferait intervenir un mécanisme différent de celui de l'HC constitutive.

 

 

V Fonctions de l'hétérochromatine

On s'est longtemps demandé si l'hétérochromatine avait un rle précis dans le génome humain car son polymorphisme important ne semblait pas avoir de conséquence fonctionnelle ou phénotypique.

 

V.1 Rle de l'HC dans l'organisation des domaines nucléaires.

 

V.2 Rle de l'HC dans la fonction centromérique

Dans la plupart des eucaryotes, les centromères sont enrobés d'une masse non négligeable d'hétérochromatine. Il a été proposé que l'HC centromérique soit nécessaire pour assurer la cohésion des chromatides surs et permettre une disjonction normale des chromosomes mitotiques.

 

V.3 L'HC  centromérique joue-t-elle un rle de transporteur?

De très nombreuses protéines ont été montrées être associées à l'HC centromérique, notamment sur les chromosomes métaphasiques. On peut supposer que certaines protéines, devant être présentes et fonctionnelles en tout début de la phase G1, n'auront pas le temps matériel pour être synthétisées. Dans une telle hypothèse, la fixation au centromère serait un moyen idéal pour de telles protéines, de traverser sans encombre la division cellulaire afin d'être disponibles en début de G1.

 

V.4 Rle de l'HC dans la répression génique (régulation épigénétique)

L'expression génique peut être régulée à deux niveaux:

L'hétérochromatine serait impliquée dans le contrle de la transcriptabilité du génome. Ainsi, des gènes habituellement localisés dans l'euchromatine peuvent être réduits au silence lorsqu'ils sont placés à proximité d'un domaine hétérochromatique.

Mécanisme d'inactivation en Cis :
A la suite d'un réarrangement chromosomique, une région euchromatique contenant des gènes actifs peut être juxtaposée à une région hétérochromatique. Dans les cas o le réarrangement a enlevé certaines barrières normales protégeant l'euchromatine, la structure hétérochromatique devient capable de se propager en cis à l'euchromatine qui la jouxte, inactivant ainsi les gènes qu'elle contient. Ce mécanisme a été observé dans la variégation par effet de position (PEV) chez la Drosophile ou encore dans l'inactivation de certains transgènes chez la souris. Il est associé une modification de structure de l'euchromatine nouvellement réprimée qui met en jeu les protéines HP1, caractéristiques de l'hétérochromatine. 

Mécanisme d'inactivation en Trans:
Au cours de la différenciation cellulaire, certains gènes actifs sont susceptibles d'être transposés dans un domaine nucléaire hétérochromatique, ce qui entrane leur inactivation. Un tel mécanisme a été proposé pour expliquer la co-localisation dans les noyaux de lymphocytes, de la protéine Ikaros et des gènes cibles dont elle régule l'expression avec des blocs d'hétérochromatine centromérique. Les gènes cibles pourraient ainsi être réprimés par un mécanisme d'inactivation en trans se propageant de l'hétérochromatine vers l'euchromatine adjacente. Une autre hypothèse serait que la protéine Ikaros inactive tout d'abord le gène cible par fixation sur son promoteur, et le transpose secondairement dans un domaine nucléaire hétérochromatique pour stabiliser l'inactivation .

 

 

VI Maladies de l'hétérochromatine

VI.1 Maladies de l'hétérochromatine constitutive

Ces maladies résultent généralement d'une altération des processus de différenciation cellulaire.

Le syndrome ICF associe une Immunodéficience, une instabilité des Centromères et une dysmorphie Faciale (Immunodeficiency, centromeric instability, facial anomalies). Il s'agit d'une maladie récessive, rare, liée à des mutations du gène DNMT3B, DNA methyl transférase localisée sur le bras long du chromosome 20.
Les anomalies chromosomiques du syndrome ICF miment les anomalies obtenues avec la 5-Azacytidine qui est un agent déméthylant. Ce sont bien évidemment les ADN satellites riches en G-C qui sont déméthylés c'est à dire l'ADN satellite II et III, et à un moindre degré le satellite I. Il en découle que ce sont essentiellement les constrictions secondaires des chromosomes 1 et 16 qui présentent une instabilité. La decondensation des constrictions secondaires altère la ségrégation normale des chromatides surs, ce qui explique la formation de figures multiradiales,  de délétions, de micronoyauxL'HC centromérique riche en ADN alpha-satellite, riche en bases A-T n'est pas affectée par cette instabilité.

 

Dans de nombreux cancers, des anomalies de l'hétérochromatine constitutive ont été mises en évidence, portant soit sur l'ADN soit sur les protéines de l'hétérochromatine.

 

 

VI.2 Maladies de l'hétérochromatine facultative

 

 

Conclusion

En conclusion, l'hétérochromatine, bien qu'apparemment amorphe et isolée en périphérie du noyau, semble jouer un rle tout à fait essentiel dans l'organisation et la fonction du génome. Tout au long de cet exposé nous avons essentiellement présenté les caractéristiques liées à l'HC, qu'elle soit constitutive ou facultative. Nous avons montré que les propriétés de l'HC constitutive, malgré la présence d'ADN satellite, ne différaient pas fondamentalement de celles de l'HC facultative. Il apparat maintenant évident que les mécanismes impliqués dans l'hétérochromatinisation facultative, qui sont des mécanismes épigénétiques, sont identiques à ceux intervenant dans la répression de l'euchromatine (silencing) en général.

 

*Judith Luciani est subventionnée par la Fondation Electricité de France


Contributor(s)

Written2003-01Marie-Genevièvee Mattei, Judith Luciani
INSERM U 491, Faculté de Médecine, Bd Jean Moulin, 13385 Marseille, France

© Atlas of Genetics and Cytogenetics in Oncology and Haematology
indexed on : Mon Aug 12 17:31:13 CEST 2019


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