Fiche de révision : Structure du génome et chromatine

📋 Plan du Cours

1. Compaction de l’ADN et organisation générale
2. Nucléosome et histones
3. Modifications des histones et accessibilité
4. Fibre nucléosomique et clutches
5. Chromosomes métaphasiques et protéines SMC
6. Cohésines et séparation des chromatides
7. Condensines et boucles mitotiques
8. Euchromatine et hétérochromatine
9. Hétérochromatine constitutive et centromères
10. Hétérochromatine facultative
11. Territoires et compartiments chromosomiques
12. TAD, frontières et extrusion
13. Boucles et régulation génétique
14. Méthodes d’étude de la chromatine 3D

📖 1. Compaction de l’ADN et organisation générale

★ À maîtriser

• La compaction de l’ADN permet son stockage et la ségrégation des chromosomes tout en restant dynamique et réversible pour l’accès aux machineries de transcription, de réplication et de réparation.

• Les premiers niveaux de compaction communs à l’interphase et à la métaphase sont le nucléosome, la fibre de 10 nm et, selon les conditions, une organisation de 30 nm.

📌 La fibre de 30 nm est observée in vitro, mais les techniques récentes ne montrent pas qu’elle constitue une organisation générale de la chromatine in vivo.

Compléments

• Dans le génome humain diploïde, l’ADN déroulé mesure environ 2 m, alors que les 46 chromosomes métaphasiques occupent chacun environ 5 μm de longueur moyenne, soit un rapport de compaction global proche de 1/10 000.

• In vivo, les nucléosomes forment des agrégats hétérogènes appelés clutches, regroupés en nanodomaines chromatiniens.

💡 Astuce mémo

Fibre de 30 nm : observée in vitro, pas in vivo

📖 2. Nucléosome et histones

🔑 Notions clés & Définitions

• Nucléosome : L’unité de base de la chromatine, composée d’environ 146 à 147 paires de bases d’ADN enroulées autour d’un octamère d’histones

★ À maîtriser

• L’octamère nucléosomique contient deux exemplaires de chacune des histones H2A, H2B, H3 et H4.

• Les histones sont riches en lysine et en arginine, dont les charges positives favorisent leur attraction électrostatique avec l’ADN chargé négativement.

Compléments

• Le nucléosome complet comprend le cœur nucléosomique et un ADN de liaison de 30 à 60 paires de bases, pour environ 200 paires de bases au total.

• Les extrémités N-terminales des histones dépassent du nucléosome et sont accessibles aux enzymes qui les modifient.

• Les gènes des histones canoniques sont sans intron, ne portent pas de queue poly-A en 3′ de l’ARNm et sont transcrits pendant la phase S.

• Le variant H3.3 déstabilise le nucléosome et favorise l’accessibilité de l’ADN à l’ARN polymérase.

• Le variant CENP-A remplace H3 au centromère et permet l’assemblage du kinétochore.

• Les histones canoniques sont codées par des gènes organisés en trois clusters principaux, en 1q21, 1q42 et 6p22, regroupant environ 50 gènes.

📖 3. Modifications des histones et accessibilité

★ À maîtriser

• L’acétylation d’une lysine d’histone neutralise sa charge positive et rend l’ADN plus accessible.

Compléments

• Les histones désacétylases (HDAC) retirent les groupements acétyle des histones, tandis que les histones acétyl-transférases (HAT/KAT) les ajoutent.

• Les histones lysine méthyltransférases (HKMT) transfèrent un groupement méthyle provenant de la S-adénosylméthionine (SAM) sur des lysines d’histones.

• La triméthylation de H3K9, notée H3K9me3, est une marque associée à l’hétérochromatine constitutive.

💡 Astuce mémo

Acétylation des lysines → baisse de charge positive → ADN plus accessible

📖 4. Fibre nucléosomique et clutches

🔑 Notions clés & Définitions

• Fibre de 10 nm : Un nucléofilament en « collier de perles », constitué de nucléosomes séparés par leur ADN de liaison

★ À maîtriser

• L’histone H1 se fixe à l’ADN de liaison et contribue à compacter et rigidifier les réseaux de nucléosomes.

Compléments

• Les clutches sont des agrégats hétérogènes de 2 à 10 nucléosomes, regroupés en nanodomaines chromatiniens.

📌 Les modèles de fibre de 30 nm décrivent soit un solénoïde, où les nucléosomes s’enroulent autour d’un axe virtuel, soit un zigzag, où l’ADN de liaison traverse l’axe entre nucléosomes successifs.

📖 5. Chromosomes métaphasiques et protéines SMC

🔑 Notions clés & Définitions

• Cohésines : Des complexes protéiques de maintenance structurale contenant SMC1 et SMC3, qui organisent la conformation de la chromatine et peuvent maintenir ensemble les chromatides sœurs
• Condensines : Des complexes protéiques de maintenance structurale contenant SMC2 et SMC4, qui contribuent à la compaction des chromosomes et à la formation de boucles

📝 Points essentiels

• Les complexes SMC sont des protéines structurales en forme d’anneau, constituées de sous-unités SMC associées à des protéines secondaires.

• Les cohésines et les condensines modifient la conformation de la chromatine au cours du cycle cellulaire.

📖 6. Cohésines et séparation des chromatides

★ À maîtriser

• La cohésion des chromatides sœurs s’établit pendant la phase S lors de la réplication, les cohésines étant chargées autour des deux chromatides.

• À la transition métaphase-anaphase, la séparase clive RAD21 et libère les chromatides sœurs des cohésines centromériques restantes.

Compléments

• En prophase, la phosphorylation de SA1/2 par PLK1 entraîne le retrait partiel des cohésines, tandis que les cohésines centromériques persistent jusqu’à leur clivage.

• En interphase, les cohésines participent à la formation et au maintien de l’architecture tridimensionnelle de la chromatine et à la régulation du génome.

💡 Astuce mémo

Phase S : cohésion → prophase : retrait partiel → anaphase : clivage par la séparase

📖 7. Condensines et boucles mitotiques

★ À maîtriser

• La condensine I forme des boucles d’environ 90 kb, tandis que la condensine II forme des boucles d’environ 450 kb.

• Les condensines extrudent progressivement l’ADN en boucles, contribuant à la formation de l’axe du chromosome et à l’augmentation de sa condensation jusqu’à la métaphase.

Compléments

• La condensine II forme les boucles internes principales et la condensine I les sous-boucles externes du chromosome mitotique.

• L’axe protéique interne du chromosome mitotique comprend des condensines I et II ainsi que la topoisomérase II.

💡 Astuce mémo

Condensine II : grandes boucles internes ; condensine I : petites sous-boucles externes

📖 8. Euchromatine et hétérochromatine

★ À maîtriser

📌 L’euchromatine est globalement décondensée en interphase, riche en gènes, transcriptionnellement active et répliquée précocement.

📌 L’hétérochromatine constitutive représente environ 7 % de la chromatine et est condensée, riche en séquences répétées, pauvre en gènes, peu transcrite et répliquée tardivement.

Compléments

• L’euchromatine représente environ 93 % de la chromatine.

• La chromatine est une association nucléoprotéique d’ADN, éventuellement d’ARN, et de protéines, principalement des histones et des protéines non-histones.

💡 Astuce mémo

Euchromatine ouverte et précoce ; hétérochromatine constitutive condensée et tardive

📖 9. Hétérochromatine constitutive et centromères

🔑 Notions clés & Définitions

• Centromère : La région de constriction du chromosome qui assure l’adhésion des chromatides sœurs et la formation du kinétochore, nécessaire à leur séparation correcte lors de la division cellulaire

• Kinétochore : Un complexe multiprotéique qui relie le centromère aux microtubules

📝 Points essentiels

• L’hétérochromatine constitutive se trouve principalement aux centromères et dans les régions péricentromériques, notamment sur les chromosomes 1, 9, 16 et 19, les bras longs du chromosome Y et les bras courts des chromosomes acrocentriques 13, 14, 15, 21 et 22.

• L’hétérochromatine constitutive est révélée par les bandes C et peut présenter des polymorphismes de taille dans les régions péricentromériques et dans la partie terminale du bras long du chromosome Y (Yqh).

• L’ADN de l’hétérochromatine constitutive est hyperméthylé, tandis que ses histones sont hypoacétylées et peuvent porter la marque H3K9me3.

📖 10. Hétérochromatine facultative

★ À maîtriser

📌 L’hétérochromatine facultative est un état réversible de l’euchromatine, dont l’activité transcriptionnelle varie selon les besoins cellulaires.

📌 La chromatine facultative ouverte est peu condensée et permissive à l’accès des facteurs de transcription, tandis que la chromatine fermée est fortement condensée et répressive.

Compléments

• La chromatine facultative fermée est associée à la méthylation de l’ADN, à la faible acétylation des histones et à la triméthylation de H3K27.

• La chromatine facultative ouverte est associée à l’hypométhylation de l’ADN, à l’hyperacétylation des histones et à des marques telles que H3K4.

• L’hétérochromatine facultative n’est pas révélée par les bandes C et ne présente pas le polymorphisme décrit pour l’hétérochromatine constitutive.

📖 11. Territoires et compartiments chromosomiques

★ À maîtriser

• Chaque chromosome occupe un volume qui lui est propre dans le noyau en interphase, appelé territoire chromosomique.

📌 Les compartiments A correspondent à une chromatine ouverte et active, tandis que les compartiments B correspondent à une chromatine fermée et inactive.

Compléments

• Les chromosomes riches en gènes tendent à occuper une position centrale dans le noyau, tandis que les chromosomes pauvres en gènes tendent à être périphériques.

• Les régions d’un même compartiment présentent des interactions favorisées, et les compartiments A et B regroupent des domaines ayant des caractéristiques similaires.

• Le compartiment A est associé à une chromatine décondensée, à une transcription riche, à une réplication précoce et à la marque H3K36me3.

• Le compartiment B est associé à une chromatine condensée, à une transcription réduite, à une réplication tardive et à la marque H3K27me3.

💡 Astuce mémo

Compartiment A actif ; compartiment B inactif

📖 12. TAD, frontières et extrusion

🔑 Notions clés & Définitions

• TAD : Une région contiguë de chromatine constituée de boucles, où les contacts internes sont favorisés et les interactions avec les TAD voisins limitées par des frontières

★ À maîtriser

• Les frontières des TAD impliquent notamment CTCF et la cohésine, qui limitent les interactions entre domaines voisins.

• La cohésine extrude la chromatine en boucle, puis l’extrusion s’arrête lorsque les anneaux atteignent des séquences CTCF d’orientations convergentes.

Compléments

• Les TAD mesurent environ 100 kb à 1 Mb et sont généralement relativement stables d’un tissu à l’autre.

• CTCF est une protéine de liaison à l’ADN comportant 11 doigts de zinc et environ 50 000 sites de fixation dans le génome humain.

• Les cohésines participent à la formation des boucles en interphase et au maintien des chromatides sœurs en G2 et en mitose.

💡 Astuce mémo

Deux CTCF convergents retiennent une boucle extrudée par la cohésine

📖 13. Boucles et régulation génétique

🔑 Notions clés & Définitions

• Boucle de chromatine : Rapproche physiquement deux régions éloignées de l’ADN, par exemple un enhancer et le promoteur d’un gène

★ À maîtriser

• Le rapprochement de régions régulatrices et de promoteurs par les boucles contribue à la régulation de l’expression des gènes.

Compléments

• Les boucles de chromatine ont une taille variable, qui peut dépasser 100 kb.

📖 14. Méthodes d’étude de la chromatine 3D

★ À maîtriser

• La FISH (hybridation in situ en fluorescence) utilise une sonde d’ADN fluorescente hybridée à une séquence cible pour visualiser un locus.

• La méthode 3C fixe les contacts par le formaldéhyde, coupe l’ADN par des enzymes de restriction, ligature les fragments en contact, élimine les protéines puis analyse les produits de ligation.

Compléments

📌 La 3C classique étudie un contact ciblé par PCR ou séquençage, tandis que Hi-C cartographie globalement les contacts dans une population cellulaire par séquençage massif.

💡 Astuce mémo

FISH visualise un locus ; 3C mesure les contacts entre régions

📊 Tableaux de synthèse

États de la chromatine