Introduction
I. Organisation 3D de la chromatine dans le noyau interphasique
II. Evolution relative des territoires les uns par rapport aux autres au cours des cycles cellulaires successifs
III. Le noyau, une structure dynamique à 4 dimensions
Conclusion
Depuis la fin du XIXe siècle et les travaux de Rabl, de nombreuses hypothèses ont été émises quant à l'existence ou non d'une architecture organisée et contrôlée de la chromatine pendant l'interphase, hypothèses qui ont évolué en fonction des techniques disponibles pour les vérifier. Ainsi, pour Rabl, il devait exister une compartimentalisation du noyau, chaque chromosome occupant un territoire défini. Cette hypothèse reposait essentiellement sur des concepts théoriques puisque les techniques de microscopie optique, si elles ont permis de décrire certaines structures comme les nucléoles, n'avaient pas la résolution nécessaire pour distinguer les fibres de chromatine les unes des autres. Cette idée de l'organisation du noyau interphasique a été remise en cause par les travaux de microscopie électronique effectués dans les années 60 et 70. Les résultats en ont été décevants puisque malgré l'excellente résolution obtenue, aucune architecture particulière des molécules d' n'a pu être décrite. L'idée prévalente alors était que le noyau était une « simple » enveloppe contenant les molécules d'ADN décondensées et mélangées de façon aléatoire. Depuis une vingtaine d'années, l'apparition et le développement rapide des techniques d'hybridation in situ fluorescente (FISH pour Fluorescent In Situ Hybridization) a conduit à réexaminer le sujet grâce à des outils d'imagerie qui permettent enfin de visualiser spécifiquement chaque molécule d'ADN au sein du noyau.
1. Relations de la chromatine avec les structures nucléaires
Principal composant du noyau, la est en relation avec les deux principales structures nucléaires identifiées en microscopie, la membrane nucléaire et les nucléoles.
a. Les nucléoles ont été identifiés depuis longtemps comme étant le lieu de synthèse des (ARNr). Ces structures intra-nucléaires ne sont pas limitées par une enveloppe et s'assemblent en nombre variable (en général 2 par noyau) lors de la reprise des transcriptions en G1, après la mitose. Ils sont constitués de plusieurs domaines visibles en microscopie électronique :
Il s'agit donc de structures fonctionnelles liées à la synthèse des ARNr et non pas de structures pré-établies indispensables à cette synthèse. Cette synthèse s'effectue à partir de répétés quelques centaines de fois dans le génome et tous situés au niveau des bras courts des chromosomes acrocentriques (chromosomes 13, 14, 15, 21 et 22). Ces régions sont appelées régions organisatrices des nucléoles (NOR pour Nucleolar Organising Regions) car leur rapprochement entraîne la mise en place du nucléole par concentration en un endroit donné des composants nécessaires à la transcription et à la maturation des ARNr. Cette proximité physique des bras courts des chromosomes acrocentriques peut se retrouver parfois jusque pendant la mitose où l'on peut observer une juxtaposition des NORs de plusieurs chromosomes acrocentriques.
b. Le noyau est délimité par une enveloppe constituée d'une double membrane (membranes nucléaires interne et externe, séparées par l'espace péri-nucléaire). A la face interne de la membrane nucléaire interne, on trouve un feutrage de filaments intermédiaires, la lamina, composée de trois protéines essentielles : les lamines A, B et C. La lamina possède de très nombreuses interactions avec des protéines de la membrane nucléaire interne et avec la chromatine, en relation avec ses fonctions dans l'organisation de l'enveloppe nucléaire et probablement dans la régulation de l'expression des gènes.
En effet, un certain nombre de régulateurs transcriptionnels interagissent avec les lamines, de même que la protéine HP1 qui se fixe spécifiquement sur l'. Par le biais de la lamina, l'enveloppe nucléaire pourrait donc participer à l'organisation de l'hétérochromatine dans le noyau et plus largement au contrôle régional de la par relocalisation de gènes au contact de l'hétérochromatine pour les inactiver.
2. Notion de territoires chromosomiques
Au début des années 80, grâce à des expériences d'irradiation laser de cellules de hamster, ont été apportés les premiers éléments d'observation en faveur de l'existence de territoires chromosomiques. Mais c'est l'hybridation in situ avec des sondes de peinture chromosomique qui, en permettant de visualiser directement le matériel génétique spécifique à chaque chromosome, a montré que chacun occupe un territoire bien délimité, sans mélange ni recouvrement avec les territoires voisins, confirmant ainsi la théorie de Rabl. Ces résultats ont été retrouvés pour toutes les paires chromosomiques et constituent la première preuve d'une organisation de la chromatine pendant l'interphase. Au sein de ces territoires, la fibre de chromatine conserve une organisation permettant d'identifier des sous-domaines correspondant aux bras ou aux bandes chromosomiques. La surface occupée par ces territoires est proportionnelle grossièrement à la taille du chromosome, mais d'autres paramètres peuvent la moduler comme, par exemple, le niveau global d'expression du chromosome. Ces territoires chromatiniens ne constituent pas des compartiments nucléaires au même titre que les nucléoles car ils sont perméables comme le démontre la diffusion passive de dont la taille peut aller jusqu'à 500 kDa dans tout le noyau.
3. Topographie des territoires
Existe-t-il un arrangement précis et régulé des chromosomes les uns par rapport aux autres pendant l'interphase? Cette question difficile n'est toujours pas résolue de manière définitive car des résultats divergents et parfois contradictoires ont été rapportés, soit en faveur, soit contre cette hypothèse, mais il faut souligner que les premières études ont été menées sur des types cellulaires différents voire dans des espèces différentes, ce qui suggère l'existence d'une variabilité fonctionnelle et/ou tissulaire.
Cependant, les résultats les plus récents semblent confirmer l'existence d'un arrangement non aléatoire des territoires chromosomiques les uns par rapport aux autres pendant l'interphase, en fonction de leur taille et/ou de leur contenu en gènes. Ainsi, il existe une localisation préférentielle des petits chromosomes vers l'intérieur du noyau alors que les plus grands sont plus fréquemment observés vers la périphérie. Cependant, le contenu en gènes intervient également comme le prouve le cas des chromosomes 18 et 19. Bien que de tailles comparables, le chromosome 19 riche en gènes est situé plus vers le centre du noyau que le 18, pauvre en gènes et observé en périphérie. Cette corrélation entre densité en gène accrue et position plus centrale dans le noyau interphasique a depuis été retrouvée pour d'autres paires.
Si l'on admet donc l'existence d'une organisation non aléatoire des territoires au sein du noyau, une autre question à résoudre est de savoir si elle est associée à un arrangement particulier des homologues ou de certaines paires entre elles. Là encore les résultats obtenus jusqu'ici sont discordants et ne permettent pas encore de répondre de manière définitive. Cependant, quelques observations récentes concernant les positions respectives de chromosomes impliqués dans certaines translocations réciproques militent en faveur d'un positionnement non aléatoire des chromosomes les uns par rapport aux autres.
4. Interface entre territoires voisins (Figure 1)
Deux modèles sont proposés pour décrire les relations qui existent entre territoires chromosomiques voisins.
a) Dans le premier modèle (modèle ICD : Interchromatin Domain), il existerait des espaces dépourvus de chromatine appelés espaces interchromatiniens. Ces espaces forment un réseau en trois dimensions de canaux qui débutent au niveau des pores de la membrane nucléaire et s'étendent entre les territoires chromosomiques dans lesquels ils s'invaginent. Leur taille est variable, avec des lacunes de quelques micromètres de diamètre alors que les régions les plus fines pourraient n'avoir que quelques nanomètres de large. Ces espaces interchromatiniens seraient l'endroit où serait concentré tout le matériel non chromatinien (corps nucléaires, pré-ARNm, ) et constitueraient à ce titre soit un simple lieu de stockage des macromolécules, soit directement le lieu des réactions enzymatiques. En tout état de cause, il est en revanche déjà acquis que ces espaces servent également de voies de circulation au sein du noyau par simple diffusion passive permettant de distribuer les protéines nécessaires à la transcription et d'exporter en retour les produits.
b) Le deuxième modèle (modèle ICN : Interchromosomal network) suppose au contraire qu'il existe des zones de recouvrement entre territoires voisins au niveau desquelles les fibres de chromatine des deux chromosomes sont étroitement associées. Ce modèle repose sur des observations faites sur des coupes ultrafines qui permettent de mieux conserver l'architecture de la chromatine que les préparations standard de FISH 3D. Environ 40% de chaque territoire serait ainsi mélangé en périphérie avec les territoires voisins. L'importance de la zone frontalière serait fonction notamment de la compaction du territoire chromosomique (plus la chromatine est compacte moins il y a de possibilités d'interpénétration), elle-même étant proportionnelle à la richesse en gènes du chromosome et à son activité transcriptionnelle. Dans ce modèle, les protéines nécessaires à la transcription, la réplication, la réparation de l'ADN ainsi que les ARN diffuseraient librement entre les boucles de chromatine au sein de chaque territoire sans être confinées au sein d'espaces spécialisés. Le principal intérêt de ce modèle est de pouvoir concilier la notion de territoire chromosomique avec la fréquence observée des translocations réciproques. En effet, pour chaque chromosome, il existe une très bonne corrélation entre la proportion de territoire mélangé avec les territoires voisins et la fréquence des translocations réciproques impliquant la paire considérée.
Figure 1
5. Modèle d'organisation de la chromatine dans le noyau interphasique
Des différentes observations réalisées jusqu'à maintenant, se dégage un modèle d'organisation fonctionnelle du noyau interphasique constitué de territoires chromosomiques contenant l'information génétique sous la forme de chromatine. Au sein du noyau, les protéines et les ARN produits peuvent diffuser librement pour atteindre leur site de fixation ou pour être exportés vers le cytoplasme, soit via un réseau d'espaces canaliculaires connectés aux pores nucléaires et séparant les territoires (modèle ICD), soit directement entre les boucles de chromatine des différents territoires (modèle ICN). Dans les deux modèles, les activités de transcription qui se font au contact de la chromatine peuvent être régulées en modifiant l'accessibilité aux gènes. Les gènes actifs sont accessibles aux complexes de transcription soit parce qu'ils sont proches d'un espace interchromatinien dans le modèle ICD, soit parce qu'ils sont situés sur une grande boucle d'ADN dans le modèle ICN. L'observation que l'activation d'un gène peut être associée à sa relocalisation dans un territoire voisin permet de plus d'envisager de nouveaux modes de co-régulation de gènes participants à des voies métaboliques communes et éventuellement situés sur des chromosomes distincts.
Quelque soit le modèle qui s'avèrera le plus proche de la réalité, cette organisation de la chromatine permet d'inactiver facilement des groupes de gènes en modifiant leur position au sein des territoires et en les rendant ainsi inaccessibles à la machinerie transcriptionnelle.
Parmi les nombreux points qui restent à élucider, il y a la question de savoir si l'organisation en territoires chromosomiques est un préalable permettant d'organiser et de réguler la transcription ou si au contraire cette organisation ne serait pas la conséquence de l'activité transcriptionnelle de la cellule, générant des régions de chromatine compacte puisque inactive et d'autres plus « aérées », au contact de zones riches en protéines et ARNm résultant de la transcription.
Les chromosomes sont-ils positionnés de façon aléatoire au sein du noyau ou au contraire présentent-ils un arrangement spécifique les uns par rapport aux autres? La question n'est pas résolue mais elle ouvre d'intéressantes perspectives dans la mesure ou un tel arrangement pourrait constituer une information épigénétique importante dans le cadre de la différenciation cellulaire et pourrait expliquer (ou être expliqué par) une expression différentielle de certains gènes dans différentes lignées cellulaires. Si cette hypothèse est vérifiée, la transmission à l'identique de cette information positionnelle prend une importance capitale pour conserver les caractéristiques propres à chaque type cellulaire. Deux arguments sont actuellement en faveur d'une organisation coordonnée des territoires les uns par rapport aux autre.
Un des éléments clé pour le contrôle de cet asynchronisme de séparation des chromosomes pourrait être la quantité d'hétérochromatine centromérique dont on sait qu'elle est indispensable à la cohésion des chromatides au niveau des . En effet, si on altère cette hétérochromatine (par exemple en incorporant du Hoescht qui empêche une condensation correcte), on observe une répartition cette fois aléatoire des chromosomes dans les cellules filles.
Si la position relative des différents territoires chromosomiques constitue bien une information épigénétique (ce qui reste à démontrer de façon définitive), il est d'ores et déjà probable que la transmission de cette information n'est pas absolue, et que des variations surviennent après un nombre plus ou moins important de permettant une adaptation fonctionnelle des cellules.
Figure 2
Les territoires chromosomiques ont une position stable dans le noyau au cours du cycle cellulaire, traduisant l'immobilité globale de la chromatine dans le noyau. Les techniques d'analyse en fluorescence sur cellules vivantes montrent en effet une grande stabilité des traceurs utilisés pendant les phases G1, S et G2. Cette immobilité est probablement en rapport avec le peu d'espace disponible à l'intérieur du noyau, mais elle résulte également en partie de l'ancrage de la chromatine à certains compartiments nucléaires, nucléoles et enveloppe principalement.
Cependant, si l'on change l'échelle d'analyse, on s'aperçoit que la chromatine n'est pas figée dans le noyau mais que deux types de mouvements peuvent être observés.
a. D'une part, le marquage en fluorescence de toutes petites régions chromosomiques (˜ 10 kb) a permis de mettre en évidence l'existence de mouvements de faible ampleur, sur une distance inférieure à 0,5 µm. Ces mouvements sont de type Browniens, orientés dans toutes les directions de l'espace, mais en raison de leur faible amplitude, le locus considéré reste circonscrit dans une région réduite du noyau (environ 1/1000e du volume total). Ces mouvements sont donc compatibles avec la notion de territoire chromosomique clairement individualisé et relativement immobile. Tous les loci étudiés ne montrent pas les mêmes possibilités de mouvement, certains semblent moins mobiles comme les télomères, les centromères ou certains domaines le long des chromosomes, correspondant peut être à des sites d'ancrage de la chromatine aux structures nucléaires.
b. D'autre part, des mouvements de plus grande ampleur sont susceptibles d'être observés en relation avec une modification de l'activité transcriptionnelle de la cellule, comme par exemple lors de la ré entrée dans le cycle d'une cellule en phase de quiescence, ou au cours de la différenciation cellulaire comme cela a été observé dans des Lymphocytes B. Ces mouvements pourraient avoir un rôle fonctionnel important au cours des processus de différenciation cellulaire en modulant l'expression de certains gènes par un repositionnement dans des régions favorisant ou au contraire inhibant la transcription. Par ailleurs, l'existence de ces mouvements de la chromatine permettent d'expliquer la colocalisation au sein de complexes de transcription de gènes situés sur des chromosomes distincts, d'autant qu'il existe une corrélation entre l'activité transcriptionelle d'une cellule et l'importance du recouvrement des territoires chromosomiques entre eux.
Dès le XIXe siècle, Rabl avait eu la bonne intuition : le noyau n'est pas un organite servant uniquement à séparer le génome du cytoplasme, mais il joue un rôle probablement essentiel dans l'organisation de la chromatine et le contrôle de l'expression des gènes. Au sein de cet organite, le génome est arrangé de façon non aléatoire, chaque chromosome occupant un territoire bien défini, et il est maintenu globalement en place par des contacts avec diverses sous structures nucléaires ; cet arrangement, éventuellement propre à certaines cellules ou tissus, est transmis aux cellules filles au cours des divisions cellulaires. Enfin, des mouvements sont possibles malgré tout au niveau de certains loci qui peuvent être relocalisés dans d'autres régions du noyau notamment au cours des phénomènes de différenciation cellulaire ou de reprise de la transcription. Ces modifications de position, ainsi que l'existence d'un arrangement non aléatoire des territoires chromosomiques suggèrent qu'il existe peut-être dans le noyau des zones plus ou moins favorables à la transcription et donc à l'expression des gènes. En fonction de son emplacement, tel ou tel ensemble de gènes pourra ainsi être activé ou inactivé dans sa globalité, sans avoir à assurer un contrôle individuel de chacun d'eux. De plus, l'existence de zones d'exclusion faciliterait l'action des protéines chargées de la transcription (enhancers, polymerases, etc…) en réduisant le nombre de cibles potentielles et en augmentant la concentration apparente des facteurs de transcription vis à vis des gènes actifs. Il existerait ainsi une plasticité génétique corrélée avec la mobilité de la chromatine, qui participerait à l'adaptation des cellules à un environnement changeant.
L'importance de cette organisation et des structures qui la maintiennent (notamment l'enveloppe nucléaire) dans la régulation fonctionnelle du génome est attestée par les troubles associés aux laminopathies. L'étude de la physiopathologie exacte de ces maladies apportera probablement de nouveaux éclaircissements sur les mécanismes de méta régulation de l'expression des gènes au niveau régional.
Parmi ceux-ci, les modifications épigénétiques de l'ADN (méthylation des Cytosines, méthylation / acétylation des histones) constituent un axe de recherche privilégié en raison des nombreux arguments existant en faveur d'une relation entre épigenèse, structure de la chromatine, organisation du génome et expression génique.
Jean Michel Dupont
Atlas of Genetics and Cytogenetics in Oncology and Haematology 2022-04-22
Architecture de la chromatine dans le noyau interphasique
Online version: http://atlasgeneticsoncology.org/teaching/209073/architecture-de-la-chromatine-dans-le-noyau-interphasique