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Chromatine: Organisation Fonctionnelle du Génome

I. Introduction

II. Le nucléosome

III. Les histones

III.1. Les histones de la particule coeur

III.2. Les histones internucléosomales

IV. Les différentes étapes dans l'assemblage de la chromatine

V. Les variations dans les composants élémentaires

VI. Les facteurs d'assemblage en chromatine

VI.1. Les facteurs interagissant avec les histones

VI.2. Les facteurs de remodelage et les enzymes modifiant les histones

VII. Organisation du génome dans le noyau

I- Introduction

Dans les cellules eucaryotes, le matériel génétique est organisé en une structure complexe constituée d'ADN et de protéines et il est localisé dans un compartiment spécialisé, le noyau. Cette structure a été baptisée chromatine (du grec khroma: couleur et sôma: corps). Environ deux mètres d'ADN dans chaque cellule doivent être contenus dans un noyau de quelques mm de diamètre. 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 et
• la recombinaison.

Ainsi l'organisation dynamique de la structure chromatinienne influence, potentiellement, toutes les fonctions du génome.

L'unité fondamentale de la chromatine est appelée le nucléosome qui est composé d'ADN et d'histones. Il constitue le premier niveau de compaction de l'ADN dans le noyau. Cette structure est ensuite régulièrement répétée pour former le nucléofilament qui peut, lui-même, adopter des niveaux d'organisation plus compacts (Figs 1 et 3), le niveau de condensation le plus élevé étant atteint au sein du chromosome métaphasique. Au sein du noyau interphasique, la chromatine est organisée en territoires fonctionnels.

La chromatine a été divisée en:

• euchromatine et
• hétérochromatine.

L'hétérochromatine a été définie comme une structure qui ne change pas d'état de condensation au cours du cycle cellulaire tandis que l'euchromatine apparaît décondensée pendant l'interphase. L'hétérochromatine est localisée principalement en périphérie du noyau et du nucléole tandis que l'euchromatine est répartie à l'intérieur du nucléoplasme.

On distingue:

• l'hétérochromatine constitutive qui contient peu de gènes, formée principalement de séquences répétées et dont les plus grandes régions sont situées à proximité des centromères et des télomères, de
• l'hétérochromatine facultative qui contient des régions codantes pouvant adopter les caractéristiques structurale et fonctionnelle de l'hétérochromatine, comme le chromosome X inactif chez la femelle des mammifères.

Dans cette revue, nous rappelerons les composants de la chromatine et nous présenterons les différents niveaux d'organisation de la chromatine, en partant du niveau du nucléosome jusqu'à celui de l'organisation en domaines dans le noyau.

Nous discuterons ensuite comment les variations dans la composition fondamentale de la chromatine peuvent influencer son activité et comment les facteurs capables de faciliter la formation de ces structures jouent un rôle critique pour transmettre des caractères de diversité dans la structure chromatinienne dynamique.

Finalement, nous exposerons comment la chromatine influence l'organisation du génome à l'échelle du noyau.

II- Le nucléosome

La digestion partielle de l'ADN organisé en chromatine génère des fragments de 180 à 200 pb, caractérisés par des images en "échelle" après migration électrophorétique. La régularité de cette structure a été ensuite confirmée par analyse en microscopie électronique révélant une chromatine constituée de particules régulièrement espacées, dont l'aspect rappelle celui d'un "collier de perles". La stoechiométrie ADN-histones est de 1/1 en masse.

Le nucléosome est l'unité fondamentale de la chromatine. Il est composé de:

• une particule cœur et
• une région de liaison (ou région internucléosomale) qui relie les particules coeurs adjacentes (Fig 1).

La particule cœur, dont la structure est très conservée parmi les espèces, est composée de 146 pb d'ADN enroulées selon environ 1,7 tour autour d'un octamère protéique comprenant deux exemplaires de chacune des histones H3, H4, H2A et H2B.

La longueur de la région d'ADN internucléosomale varie selon l'espèce et le type cellulaire. C'est au niveau de cette région que les histones internucléosomales également variables, sont incorporées.

Ainsi, la longueur d'ADN caractéristique d'un nucléosome peut varier selon les espèces entre 160 et 241 pb.

Des analyses ont révélé d'une part, l'enroulement de l'ADN autour de l'octamère d'histones et d'autre part, les interactions entre histones/ADN et histones/histones par leur "motif histone fold" selon une configuration en poignée de mains.

Figure 1. Eléments de définition du nucléosome et du chromatosome.

III- Les histones

III-1. Les histones de la particule coeur

Les histones de la particule coeur, H3, H4, H2A et H2B sont de petites protéines basiques très conservées au cours de l'évolution (Fig 2). La région la plus conservée de ces histones est leur domaine central structuré composé du "motif histone fold" qui comprend trois hélices séparées par deux boucles. En revanche, les extrémités N-terminales de ces histones sont plus variables et sont dépourvues de structure secondaire. Ces extrémités sont particulièrement riches en résidus lysine et arginine et donc très basiques. Elles sont la cible de nombreuses modifications post-traductionnelles pouvant affecter leurs charges mais aussi l'accessibilité à l'ADN et les interactions protéines/protéines avec le nucléosome.

Il est important de noter que d'autres protéines impliquées dans les interactions avec l'ADN présentent ce type de "motif histone fold".

Figure 2. Les histones de la particule cœur.

• Structure des histones nucléosomales.
• Séquences primaires des extrémités N-terminales des histones nucléosomales. Les nombres indiquent la position des acides aminés. Les modifications post-traductionnelles sont indiqués (ac en rouge = sites d'acétylation ; p en bleu = sites de phosphorylation ; m en vert = sites de méthylation ; rib en violet = sites d'ADP ribosylation)

III-2. Les histones internucléosomales

Les histones internucléosomales sont les protéines qui s'associent à la région d'ADN de liaison entre deux nucléosomes. Contrairement aux histones de la particule cœur, elles sont peu conservées parmi les espèces. Chez les eucaryotes supérieurs, elles sont composées de trois domaines: un domaine globulaire central non polaire, essentiel pour les interactions avec l'ADN, et deux extrémités N- et C- terminales non structurées, hautement basiques, et soumises à des modifications post-traductionnelles. Les histones internucléosomales joueraient un rôle dans l'espacement des unités nucléosomales et dans la compaction de l'ADN au sein du nucléosome en créant une région d'interaction entre les nucléosomes adjacents.

IV- Les différentes étapes dans l'assemblage de la chromatine

L'assemblage de l'ADN en chromatine comprend plusieurs étapes qui commencent par la formation de son unité fondamentale, le nucléosome, et finissent par des niveaux d'organisation supérieurs en domaines spécifiques dans le noyau. Les différentes étapes de cet assemblage sont décrites schématiquement dans la Fig 3.

• La première étape comprend la mise en place, sur l'ADN, d'un tétramère d'histones (H3-H4)2 nouvellement synthétisées formant la particule sub-nucléosomale, à laquelle viennent s'adjoindre deux dimères H2A-H2B.

L'ensemble constitue la particule nucléosomale coeur composée de 146 paires de base d'ADN enroulées autour du octamère d'histones.

Cette particule cœur et l'ADN de liaison forme le nucléosome.

Les histones nouvellement synthétisées sont spécifiquement modifiées (ex: acétylation de l'histone H4).

• L'étape suivante est une étape de maturation nécessitant la présence d'ATP, au cours de laquelle les nucléosomes sont régulièrement espacés et forment le nucléofilament. Pendant cette étape, les histones nouvellement incorporées sont désacétylées.
• Ensuite l'incorporation des histones internucléosomales est accompagné par le repliement du nucléofilament en fibre de 30 nm dont la structure n'est pas élucidée à ce jour. Deux modèles principaux existent : le modèle de type solénoïde et le modèle de type zig zag.
• Finalement, plusieurs repliements successifs conduisent à des niveaux d'organisation supérieurs en domaines spécifiques dans le noyau.

A chacune des étapes décrites ci-dessus, des variations dans la composition et l'activité de la chromatine peuvent être obtenues en modifiant soit ses composants élémentaires, soit l'activité de facteurs impliqués dans les processus d'assemblage et de désassemblage.

Figure 3. Les principales étapes de l'assemblage de la chromatine.

L'assemblage commence avec la mise en place d'un tétramère (H3-H4)2 d'histones nouvellement synthétisées (1), à laquelle viennent s'adjoindre deux dimères H2A-H2B (2) pour former la particule nucléosomale cœur. Les histones nouvellement synthétisées sont spécifiquement modifiées; la modification la plus conservée est l'acétylation de l'histone H4 sur les lysines 5 et 12 (H3-H4*). L'étape de maturation nécessite la présence d'ATP afin d'établir un espacement régulier des nucléosomes et les histones nouvellement incorporées sont désacétylées (3). L'incorporation des histones internucléosomales est accompagné par le repliement du nucléofilament. Ici est présenté le modèle de type solénoïde dans lequel il y a 6 nucléosomes par tour (4). Finalement, plusieurs repliements successifs conduisent à des niveaux d'organisation supérieurs en domaines spécifiques dans le noyau (5).

V- Les variations dans les composants élémentaires

Dès les premières étapes de l'assemblage de la chromatine, la particule élémentaire peut être soumise à des variations

• au niveau de l'ADN (par exemple, par méthylation), ou
• au niveau des histones qui peuvent soit présenter différentes modifications post-traductionnelles, soit exister sous des formes variantes (par exemple CENP-A, variant de l'histone H3).

Toutes ces variations sont capables d'induire des différences dans la structure et dans l'activité de la chromatine. La grande diversité des modifications post-traductionnelles des extrémitées N-terminales des histones, présentée dans la Fig 2, (comme l'acétylation, la phosphorylation, la méthylation, l'ubiquitination, la polyADP-ribosylation), et leur association à des processus biologiques spécifiques, ont conduit à proposer l'hypothèse d'un "langage" baptisé le "code histone" (il est important de noter que ce code est une hypothèse de travail). Ce code serait "lu" par d'autres protéines ou complexes protéiques, capables de reconnaître et d'interpréter des profils de modification spécifiques. L'incorporation de formes variantes des histones peut être importante pour des domaines spécifiques du génome: ainsi CENP-A, variant de l'histone H3, est associé aux régions centromériques et macro H2A au chromosome X inactif chez la femelle de mammifères. H2A-X interviendrait dans la formation de foyers contenant des facteurs de réparation dans des régions où des cassures d'ADN double brin ont eu lieu. H2A-Z pourrait jouer un rôle en modifiant la structure de la chromatine afin de réguler la transcription .

Pendant l'étape de maturation, l'incorporation d'histones internucléosomales, de protéines chromatiennes non-histones appelées HMG (High Mobility Group) ou d'autres facteurs se liant spécifiquement à l'ADN peuvent affecter l'espacement et le repliement du nucléofilament. Ainsi les premières étapes de l'assemblage peuvent avoir une grande incidence sur la nature finale de la chromatine dans des domaines spécifiques du noyau.

VI- Les facteurs d'assemblage en chromatine

VI-1. Les facteurs interagissant avec les histones

Des facteurs de nature acide peuvent former des complexes avec les histones et ainsi favoriser leur mise en place. Ces facteurs sont considérés comme des chaperons d'histones qui facilitent la formation de la particule nucléosomale sans faire partie intégrante de cette particule. Ces facteurs, aussi appelés facteurs d'assemblage de la chromatine, se lient préférentiellement à une sous population d'histones.

Par exemple, le facteur CAF-1 (Chromatin Assembly Factor 1) interagit avec les histones H3 et H4 acétylées nouvellement synthétisées et participe à l'assemblage de la chromatine couplé à la réplication de l'ADN. CAF-1 est aussi capable de promouvoir l'assemblage de la chromatine spécifiquement couplé à la réparation de l'ADN. L'interaction entre CAF-1 et la protéine PCNA (Proliferating Cell Nuclear Antigen) établit un lien moléculaire étroit entre l'assemblage en chromatine et les processus de réplication et de réparation de l'ADN. L'assemblage de structures spécialisées comme les régions centromériques, en déposant des variants d'histones comme CENP-A, ou télomériques, pourraient faire intervenir la spécificité et la diversité des chaperons d'histones.

VI-2. Les facteurs de remodelage et les enzymes modifiant les histones

Des facteurs interviennent aussi pendant l'étape de maturation de la chromatine en organisant et en maintenant un état défini de cette chromatine. Ils peuvent affecter la chromatine en induisant des changements conformationnels au niveau du nucléosome mais aussi au niveau de larges domaines de chromatine. Ces facteurs sont de deux types: les premiers nécessitent de l'énergie sous forme d'ATP et sont généralement appelés facteurs de remodelage de la chromatine, et les seconds sont des enzymes qui modifient post-traductionnellement les histones.

• Facteurs de remodelage: ce sont des complexes multiprotéiques (familles SWI/SNF, ISWI, Mi2/NuRD) L'activité ATPase permet au complexe de modifier la structure nucléosomale, en partie grâce à l'énergie libérée par l'hydrolyse de l'ATP. L'étude des facteurs qui favorisent un espacement régulier des nucléosomes pendant l'assemblage de la chromatine a permis d'identifier plusieurs complexes multiprotéiques capables in vitro de faire "glisser" des nucléosomes sur de l'ADN. Bien que ces facteurs de remodelage ont en commun la présence de nombreuses sous-unités protéiques dont l'ATPase, ils présentent toutefois des différences dans leur quantité et dans leur activité.
• Modifications post-traductionnelle: l'hypothèse du "code histone" a été proposé pour expliquer la diversité des activités de la chromatine dans le noyau. Les extrémitées N-terminales non structurées des histones pointent à l'extérieur de la particule nucléosomale cœur et sont la cible d'enzymes qui les modifient post-traductionnellement. La modification la mieux étudiée jusqu'à maintenant est l'acétylation des résidus lysine. L'état d'acétylation résulte d'un équilibre entre deux activités antagonistes : l'activité histone-acétyltransférase (HAT) et l'activité histone-désacétylase (HDAC) (ex:HAT A, présentant une activité histone-acétyltransférase, et HDAC1, histone-désacétylase). De nombreuses protéines jouant un rôle dans la régulation de la transcription ont une activité histone-acétyltransférase intrinsèque. De même, des histone-désacétylases ont été décrites comme faisant partie de complexes multiprotéiques associés avec la nature répressive de la chromatine. Parmi ces complexes, se retrouvent les facteurs de remodelage de la famille Mi2, suggérant un lien entre le remodelage des nucléosomes et le désacétylation des histones pendant la fonction répressive de la chromatine.

La méthylation des histones, joue un rôle fonctionnel important. Une méthyltransférase méthyle spécifiquement H3 sur son résidu lysine 9 et cette méthylation modifie l'interaction de H3 avec des protéines associées à l'hétérochromatine.

Les deux modifications possibles (acétylation et méthylation) sur le même résidu (lysine 9) de l'extrémité N-terminale de H3 illustre parfaitement l'hypothèse du "code histone" en action. En effet, les lysines acétylées des extrémitées N-terminales de H3 et H4 sont reconnues par un domaine spécifique, appelé le chromodomaine, présent dans de nombreuses protéines présentant une activité histone-acétyltransférase. En revanche, H3 méthylé sur son résidu lysine 9 est reconnu par le chromodomaine d'une protéine spécifique de l'hétérochomatine (HP1, Heterochromatin Protein 1).

Ainsi, en plus des altérations produites dans la charge totale des extrémités des histones proposées être à l'origine de la déstabilisation physique du nucléosome, ces modifications semblent donner une spécificité aux interactions protéines:protéines avec les histones. Elles sont associées à différentes régions du génome et ont été corrélées avec des fonctions nucléaires précises.

VII- Organisation du génome dans le noyau

Au delà des nucléosomes, la chromatine présente des niveaux d'organisation supérieurs encore peu caractérisés. Le nucléofilament se compacte pour former la fibre de 30 nm qui s'organise en boucles de 150 à 200 kpb (250 nm pendant l'interphase) pour atteindre un niveau de compaction maximum dans le chromosome métaphasique (850 nm).

En interphase, l'organisation du génome est relié à la structure des chromosomes dont les différentes régions organisées en bandes peuvent être visualisées par l'utilisation de colorant comme le Giemsa.

Les principales bandes sont

• les bandes G et C qui sont répliquées tardivement en phase S et correspondent à l'hétérochromatine, et
• les bandes R qui sont répliquées précocement en phase S et correspondent à l'euchromatine.

Les bandes R sont enrichies en histones acétylées qui sont conservées entre l'interphase et la mitose suggérant un rôle de marqueur fonctionnel de cette modification pouvant servir de mémoire de l'organisation de ces domaines au cours du cycle cellulaire.

La localisation des chromosomes dans le noyau interphasique révèle que chaque chromosome occupe un espace défini. Chez les mammifères, l'organisation des chromosomes dans le noyau varie en fonction du type cellulaire. Pendant l'interphase, les bandes des chromosomes métaphasiques sont localisées dans le noyau en fonction de leur réplication:

• les bandes G répliquées tardivement occupent la périphérie du noyau tandis que
• les bandes R contenant la majorité des gènes résident dans la partie interne du nucléoplasme.

Ainsi, bien que chaque chromosome occupe un territoire différent, des parties appartenant à des chromosomes distincts peuvent se réunir pour former des domaines fonctionnels. La localisation de régions codantes ou non codantes suggère que les gènes tendent à être localisés à la surface des territoires chromatiniens.

D'après un modèle reposant sur la localisation de quelques gènes, les transcrits seraient alors libérés dans des canaux interchromosomiques, transférés au niveau des sites d'épissage, puis exportés dans le cytoplasme après maturation.

Toutes ces études ont permis de proposer que le noyau est organisé en domaines. La localisation de l'ADN dans ces domaines peut être, en partie, une conséquence des activités de la chromatine. Le ciblage de protéines pourrait aider à apporter des protéines spécifiques dans des domaines particuliers du noyau. Dans un modèle hypothétique, les protéines associées à l'hétérochromatine (par exemple HP1, Polycomb, Sir3/pSir4p, ATRX), les facteurs de transcription (comme Ikaros) et les facteurs d'assemblage de la chromatine (comme CAF-1) sont des candidats pour l'établissement et le maintien des domaines nucléaires.

Table 1: Nomenclature de protéine chromatiene HMG

Liste des abréviations

ACF: ATP-utilizing Chromatin assembly and remodeling Factor

ATP: adenosine triphosphate

C-terminal: carboxy-terminal

CAF-1: Chromatin Assembly Factor-1

CENP-A: CENtromere Protein-A

CHRAC: CHromatin Accessibility Complex

DNA: DeoxyriboNucleic Acid

FISH: Fluorescence In Situ Hybridization

HAT: Histone Acetyl Transferase

HDAC: Histone DeACetylase

HMG: High Mobility Group

HP1: Heterochromatin Protein 1

N-terminal: amino-terminal

NURF: NUcleosome Remodeling Factor

PCNA: Proliferating Cell Nuclear Antigen

RSC: Remodels the Structure of Chromatin

Su(var): Suppressor of variegation

SWI/SNF: mating type SWItching/Sucrose Non-Fermenting

Liste des définitions

Chromatine: constitue le support de l'information génétique. C'est une structure complexe constituée d'ADN et de protéines, localisée dans le noyau cellulaire.

Nucléosome: est l'unité fondamentale de la chromatine. Il est composé d'ADN et d'histones. Il constitue le premier niveau de compaction de l'ADN dans le noyau.

Hétérochromatine: représente la forme condensée de la chromatine qui ne change pas d'état au cours du cycle cellulaire.

Euchromatine : représente la chromatine qui apparaît décondensée pendant l'interphase.

Hétérochromatine constitutive: est formée principalement de séquences répétées et contient peu de gènes. Elle est généralement concentrée dans des régions situées à proximité des centromères et des télomères.

Hétérochromatine facultative: contient des régions codantes pouvant adopter les caractéristiques structurale et fonctionnelle de l'hétérochromatine.

Code histone: est un "langage" hypothétique lié à la grande diversité des modifications post-traductionnelles des extrémitées terminales des histones et leur association à des processus biologiques spécifiques. Ce code serait "lu" par des protéines ou complexes protéiques capables de reconnaître et d'interpréter des profils de modification spécifiques.

Protéines HMG (High Mobility Group): sont des protéines chromatiennes non-histones qui se lient spécifiquement à l'ADN. Ces protéines peuvent affecter l'espacement et le repliement du nucléofilament.

Chaperons d'histones: sont des facteurs de nature acide pouvant former des complexes avec les histones et ainsi favoriser leur mise en place. Ces facteurs facilitent la formation de la particule nucléosomale sans faire partie intégrante de cette particule.

Facteurs de remodelage de la chromatine: sont des facteurs nécessitant de l'énergie sous forme d'ATP qui induisent des changements conformationnels au niveau du nucléosome mais aussi au niveau de larges domaines de la chromatine.

Bandes G, C et R: correspondent à l'organisation en bandes des chromosomes métaphasiques et peuvent être visualisées par l'utilisation de colorant comme le Giemsa.