I-Généralités sur le Noyau

• Schéma et présentation

Le noyau est un compartiment cellulaire qui est aussi caractéristique qu’indispensable à la vie des eucaryotes. Il est délimité par une enveloppe du Réticulum Endoplasmique Rugueux (RER): on parle d’enveloppe nucléaire. Cette dernière porte des ribosomes sur sa face externe (côté cytoplasme). De plus elle est perforée par de nombreux pores nucléaires (NPC pour les anglo-saxons) qui permettent les échanges entre le noyau et le cytoplasme, exemple : exportation de l’ARN messager qui sort du noyau se dirigeant vers le cytoplasme pour induire la synthèse de protéine.

• Description des constituants

Que retrouve-t-on dans le noyau de la cellule ?

Les éléments du nucléosquelette :
-la lamina nucléaire: Elle est plaquées sur la membrane interne du noyau et lui impose une structure spécifique.
-des protéines structurales de l’ADN telles que les histones

Les éléments du nucléoplasme :
-1 nucléole (maximum 2): Ce sont de véritables usines qui fabriquent les ribosomes du cytoplasme.
-des chromosomes spiralés : hétérochromatine qui correspond aux chromosomes non transcrits.
-chromosomes peu condensés : eurochromatine située au centre qui correspond aux gènes qui sont transcrits.
-Des spliceosomes ou corps pelotonnés : Ils ont un grand rôle au niveau de la maturation de l’ARNmessager


Les noyaux ressemblent-ils tous à de simples « ballons de foot » ?

La réponse est non. Les noyaux ont une morphologie de taille variable. Cependant, ils ont pour la plus part un diamètre moyen de 10 micromètres.

Le noyau peut être :
-sphérique les neurones
-prismatique
-discoïde les cellules des muqueuses
-multilobé ou plurilobé les globules blancs
-bourgeonnant les mégacaryocytes

La morphologie peut donc varier selon la cellule.

• Origine et rôle de l’enveloppe nucléaire

L’enveloppe nucléaire (EN) est une région spécifique du Réticulum Endoplasmique (RE) qui est caractéristique des cellules eucaryotes. Le noyau est limité par l’enveloppe nucléaire. Elle possède deux membranes, une membrane externe en contact avec le cytoplasme qui est recouverte de ribosomes. La deuxième membrane est interne, elle est en relation avec la lamina du nucléoplasme. Les deux membranes sont séparées par un espace dit périnucléaire.

Cette enveloppe est interrompue par une multitude de pores qui correspondent à des zones de communications entre le nucléoplasme et le cytoplasme. Dans ces pores se trouvent les Complexes de Pore Nucléaire.

L’enveloppe nucléaire permet l’isolement de l’ADN durant les périodes interphasiques, elle permet également la réplication ainsi que la transcription de la molécule d’ADN en l’isolant des différents éléments du cytoplasme qui pourraient la détériorer.
En effet, grâce à l’enveloppe nucléaire, l’ADN est protégé des forces des frictions, des réactions chimiques et des chocs issus du cytoplasme à cause de toutes les enzymes qui s’y promènent. Elle a aussi pour rôle de contrôler les échanges dans les deux sens entre le noyau et le cytoplasme.

De plus, l’EN sépare dans le temps et dans l’espace la transcription de la traduction. Chez les procaryotes (bactéries), les deux processus ont lieux en même temps alors que chez nous le eucaryotes, grâce à l’EN, l’ARN formé à le temps de subir l’épissage avant d’être traduit dans le cytoplasme.

• La lamina nucléaire

La membrane interne contient des molécules protéiques intramembranaires qui sont des sites de fixation pour les molécules de lamine. C’est le cas de la p58 qui permet la fixation de la lamine B.

La lamina nucléaire fait parti du cytosquelette du noyau. Il s’agit d’un réseau de filaments intermédiaires de types IV. Elle s’organise en trame carrée qui est fixée sous la membrane interne permettant ainsi la stabilisation de la forme du noyau.

La lamina est responsable de la dissociation de l’enveloppe nucléaire en fin de prophase, elle participe également à la reconstitution de l’EN à la télophase.

Structure de la lamina

II-Le Pore Nucléaire

• Généralité sur le complexe du pore nucléaire
  

Le pore : De façon globale on emploie le mot « pore » pour désigner un simple orifice.
On parle dans notre cas de pores nucléaires car il s’agit d’orifices de l’enveloppe du noyau d’où l’emploi du terme « nucléaire ».

Il ne faut pas penser que le pore nucléaire est un simple trou vide offrant la possibilité à tout et n’importe quoi de pénétrer au sein du royaume de l’ADN !

Ce royaume délimité par l’enveloppe nucléaire possède de véritables portes d’entrée à chaque pore.

Ces portes, d’une structure particulières, sont nommées : le complexe du pore nucléaire (dit NPC pour les anglo-saxons).
Le NPC, formé par des protéines, possède un poids moléculaire 125 000 KDa visible en microscopie électronique à un grossissement G × 75000.

• Structure du NPC
  

Schéma:
© 2002 by Bruce Alberts, Alexander Johnson, Julian Lewis, Martin Raff, Keith Roberts, and Peter Walter.
Ce schéma représente la structure d'un pore nucléaire à l'échelle moléculaire.



Du côté du cytosol nous avons :
- 8 fibrilles cytoplasmiques (ce sont des filaments intermédiaires)
- 8 sous unités formant le grand anneau cytoplasmique sur lequel sont fixés nos 8 filaments (un par sous unité)


Du côté du nucléoplasme :
- 8 sous unités du grand anneau nucléoplasmique
- 8 fibrilles nucléaires qui relient les 8 sous unités du grand anneau nucléoplasmique au petit anneau nucléoplasmique appelé nup153. Ainsi les fibrilles nucléaires forment un cage: c'est la cage nucléaire.
- Petit anneau distal appelé aussi nup153 ou encore petit anneau nucléoplasmique (en bleu sur le schéma du côté cytosolique) .

• Fonction du NPC

Ces complexes interviennent dans la relation des échanges entre le noyau et le cytoplasme et inversement : un trafic qui est donc bidirectionnel. Quand le sens de circulation se fait du noyau vers le cytoplasme il s’agit d’une exportation, dans le cas inverse c’est une importation.


Pour avoir une idée globale sur ce que peut transférer le NPC on doit savoir que:

Relation entre le Poids Moléculaire (PM) de la protéine et le Temps nécessaire pour la transférer:
PM ≤ 5 000 Da => Circule librement à travers les pores en quelques secondes
PM ≥ 20 000 Da => En quelques minutes
PM ≥ 40 000 Da => Environ 30 minutes
PM ≥ 70 000 Da => Pas de transfère

Le canal de transite du pore nucléaire qui mesure 15nm de long a un diamètre avoisinant les 9nm. Ce diamètre peut s’agrandir à 26nm pour permettre la transmission de molécules de plus grande envergure. En cas d’agrandissement on parle de transport actif.

Notion de transport actif et passif.

Transport passif : Ce type de transport concerne les petites molécules dont le poids est inférieur à 44 000Da qui passe avec autant de facilité que les ions

Transport actif : Ce type de transport est réservé aux molécules caryophiles (qui possède un Nuclear Localizing Signal) dont le PM est situé entre 40 000 et 70 000Da. Ce type de transport est ATP dépendant.
Exemples

Exemple d’importation :

- Durant la mitose, à la phase S, l’ADN se réplique. Cette synthèse d’ADN provoque une importation d’histones, issues du cytoplasme, qui assureront leur structuration.

- Une protéine de 55 000Da ne rentrera pas librement dans le noyau. Pour que cette protéine fasse son entrée au sein du noyau, elle doit impérativement posséder un NLS qui permettra son transport actif.


Exemple d’exportation :

-Une fois l’ARNmessager synthétisé dans le noyau il se dirige vers le cytoplasme pour la synthèse protéique.


Il existe entre 3000 à 4000 pores nucléaires. Dans ces pores se trouvent des complexes. Ces derniers se comportent comme des filtres sélectifs en contrôlant les entrées et les sorties des molécules. Ils sont responsables du trafic bidirectionnel à travers les pores.

• Les nucléoporines
  
  Dans les cellules animales, chaque complexe a une masse moléculaire estimée de 125 KDa et on pense qu’il est composé de plus de 50 protéines différentes, les nucléoprotéines

III-Les Chromosomes

• Généralités

Les chromosomes ont été découverts en 1980 sous forme de bâtonnets. Leur taille microscopique n’affecte en rien leur gigantesque importance. Ils sont constitués d’une molécule d’ADN, porteuse des gènes, contenant la totalité de l’information génétique de chaque être vivant.
En microscopie électronique, on repère les chromosomes sous différents aspects.
Les chromosomes sont situés à l’intérieur du noyau pour les cellules eucaryotes. Ce qui n’est pas le cas des cellules procaryotes dans la mesure où ces dernières ne possèdent pas de noyau. Les chromosomes des cellules procaryotes sont situés dans une région spécifique du cytoplasme (le nucléoïde).

• Définition

Comme dit précédemment, un chromosome correspond à une molécule d’ADN. Cette molécule est formée de deux brins. Chaque brin est un polymère de quatre nucléotides différents : Adénine=A, Guanine=G, Thymine=T, Cytosine=C.
Les deux brins de la molécule d’ADN sont associés par la règle de la complémentarité des bases : A s’associant avec T par deux liaisons hydrogène, et G avec C par trois liaisons hydrogène. On en déduit donc que la liaison (Adénine-Thymine) est plus résistante que la liaison (Guanine-Cytosine).

• Structure et fonction des chromosomes

tiré de: http://home.planet.nl/~gkorthof/korthof59.htm

• Les gènes

Les gènes représentent des parties spécifiques de la molécule d'ADN, c'est l'ensemble des séquences nécessaires à la transcription de l'ADN en ARN.
Les gènes sont constitués par une succession d'introns et d'exons. Ces derniers persistent dans la molécule d'ARN mature tandis que les introns ont été éliminés par épissage.

Schéma

www.artezia.net/sante/genetique/genetique.htm.


La notion du gène :

Soit un brin d’ADN fictif noté ADN (f), où les nucléotides ne sont plus uniquement les lettres ATGC. Dans notre brin d’ADN (f), les nucléotides sont représentés par toutes les lettres de l’alphabet. Nous avons donc 26 types de nucléotides au lieu de 4 dans notre ADN (f)


Brin d’ADN (f) :
5’-gcpqwxyozmaisonoihjftélévisionoaeoiordinateurhgsdmk-3’

Dans cette séquence, on remarque une suite de lettres. L’enchaînement de ces lettres peu aboutir à une véritable signification.
Dans notre ADN (f) notre cerveau reconnaît trois mots : maison, télévision et ordinateur. Ces trois mots qui ont une signification sont les gènes de notre ADN (f).

• Les télomères

Les télomères sont situés à l’extrémité du chromosome. Ils comportent des séquences répétitives qui sont reliées à des protéines protectrices des extrémités du chromosome.

• Origine de réplication

L’origine de réplication correspond à une région spécifique de l’ADN permettant l’initiation de la réplication bidirectionnelle. Les origines de réplication sont appelées « ori » chez les procaryotes et « ars » chez les eucaryotes. (cf. cours sur la réplication)

• Centromère

Le centromère visible sur le schéma ci-dessous est le point de contact entre les deux chromatides sœurs.
Durant la mitose, plus précisément à l’anaphase, les centrosomes permettent la réalisation d’un complexe protéique appelé : kinétochore. Abordés au 2e semestre, les kinétochores vont induire la fixation des microtubules du fuseau mitotique au chromosome pour réaliser la séparation ainsi que la migration des deux chromatides sœurs vers les deux pôles opposés de la cellule en cours de division.

• Le chromosome métaphasique

Le chromosome est dit métaphasique car il prend cette forme uniquement durant la métaphase. En d’autre termes, les chromosomes ne possèdent cette forme que pendant une infime partie de leur existence. En général il prend la forme d’un simple fil plus ou moins condensé (pour une représentation à l’échelle cellulaire !!!)
© 2002 by Bruce Alberts, Alexander Johnson, Julian Lewis, Martin Raff, Keith Roberts, and Peter Walter.

• Les chromosomes en écouvillon

Les chromosomes en écouvillons se trouvent dans les ovocytes d’embryons durant la méiose au stade diplotène dans la prophase 1.

• Les chromosomes polyténiques

Les chromosomes polyténiques sont les chromosomes que l’on retrouve chez les larves d’insectes et dans les glandes salivaires. Il s’agit de chromosomes géants qui ont subit de nombreuses réplications sans pour autant subir de divisions. Un grand nombre de copies de chromatides sont réalisée sachant que les chromatides restent soudées entre elles.

• L'ADN chromosomique et son empaquetage par les histones

L’ADN chromosomique est associé à des protéines : les histones (entre 11 et 21 Kda) .IL est constitué de 50% d’histones et de 50% d’ADN. Les histones sont des petites protéines très riches en lysine et arginine qui sont des acides aminés basiques chargées positivement.

• Structure et formation des nucléosomes
  

L’image ci-dessous représente l’ADN à structure en « collier de perle » où chaque « perle » est un nucléosome. Comme on peut le constater, les nucléosomes sont à intervalle régulier (1 nucléosome tous les 200 paires de bases). Cette structure n’existe pas chez les procaryotes.
Grâce aux nucléosomes, l’ADN est raccourci 4.5 fois.


Image obtenue en microscopie électronique

Schéma simplifié

L’ADN en rouge s’enroule autour du complexe d’histones en jaune de façon à former le nucléosome. 3 nucléosomes sont donc représentés sur le schéma ci-dessus.

© 2002 by Bruce Alberts, Alexander Johnson, Julian Lewis, Martin Raff, Keith Roberts, and Peter Walter.



Nucléosomes= ADN + Histones

Le brin d’ADN est enroulé autour de plusieurs molécules d’histones de façon à former un nucléosome. Il existe un nucléosome tous les 200 paires de bases.

Les chromosomes sont constitués de 50% d’ADN et de 50% d’histones.



Il existe 5 types d’histones :

H1 ainsi que H2a H2b H3 et H4. Les 4 derniers types d’Histones sont en double exemplaire pour former l’octamère d’histones enroulé par le brin d’ADN.
On a deux copies de H2a, H2B, H3, et H4


Schéma récapitulatif :
© 2002 by Bruce Alberts, Alexander Johnson, Julian Lewis, Martin Raff, Keith Roberts, and Peter Walter.

• L'histone H1
  
  L’histone 1 est une protéine, de 220 acides aminés, dont le poids moléculaire est de 21 KDa. Cette protéine se fixe sur le complexe ADN-(H2A ; H2b ;H3 ;H4) de manière à bien consolider l’ensemble.
  
  L’histone 1 s’associe au complexe : l’histone est formé.

Glossaire

• Noyau : Le noyau de la cellule est une petite poche souple qui contient le matériel génétique porteur de l'hérédité : l'ADN . Il est entouré d'une double membrane qui assure les échanges entre le noyau et le cytoplasme . Il est le centre de contrôle de la cellule : il contient toutes les informations nécessaires à son fonctionnement. Certaines cellules, comme les bactéries , n'ont pas de noyau.

• Cytoplasme : Dans la cellule , le cytoplasme rassemble tout le matériel vivant entourant le noyau . Il renferme notamment un certain nombre de structures qui ont chacune une fonction propre : les organites. C'est dans le cytoplasme que se déroule l'essentiel des réactions chimiques nécessaires au fonctionnement de la cellule, comme, par exemple, la synthèse des protéines .

• Lamina nucléaire : Maillage fibrillaire bordant l’enveloppe nucléaire du côté nucléoplasmique. Elle forme un réseau à maille carrée et dynamique (il se désassemble en début de mitose pour se reformer en fin de mitose, grâce à un mécanisme de phosphorylation et déphosphorylation). Ce réseau est composé de polypeptides appelés lamines (de 3 types différents : Lamine A, Lamine B et Lamine C. Lamine A et Lamine C sont quasi-identiques).

• Spliceosome : Particule d’épissage.

• Epissage : L'épissage est un processus qui se produit dans le noyau de la cellule et qui consiste en l'excision des introns et en la ligature des exons. L 'ARNm mature, constitué des seuls exons, est alors exporté vers le cytoplasme pour être traduit en protéine.

• Intron : Fragment d'un gène situé entre deux exons. Les introns sont présents dans l'ARNm immature et absents dans l'ARNm mature. Fragment "non codant" du gène.

• Exon : Fragment de gène dont la séquence d'ADN, après transcription se retrouve dans les ARNm maturés. Cette partie du gène est le plus souvent codante.

• Pore nucléaire : Les pores nucléaires sont de grands complexes protéiques (poids moléculaire estimé à 125 000 kDa) traversant l'enveloppe nucléaire qui est une double membrane entourant le noyau des cellules eucaryotes. Les pores nucléaires permettent les échanges entre le noyau et le cytoplasme. Il existe environ 50 protéines de types différents appelées nucléoporines qui entrent dans la composition du pore. Il y a environ 3000 à 5000 pores par noyau.

• Transcription : La transcription est un processus biologique ubiquitaire qui consiste, au niveau de la cellule, en la copie des régions dites codantes de l'ADN en molécules d'ARN. En effet, si la molécule d'ADN est le support universel de l'information génétique, ce sont les molécules d'ARN qui sont reconnues par la machinerie de traduction en séquences protéiques.

• Méiose : Divisions successives du noyau d'une cellule avec seulement un cycle de réplication de l'ADN, aboutissant à la réduction de moitié du nombre de chromosomes. La méiose permet le passage du stade diploïde au stade haploïde lors de la formation des cellules germinales (gamètes). C'est l'un des processus fondamentaux de la reproduction sexuée.
  Histones : Protéines basiques s'associant à l'ADN pour former la structure de base de la chromatine. Les histones jouent un rôle important dans l'empaquetage et le repliement de l'ADN.

• Histones : Protéines basiques s'associant à l'ADN pour former la structure de base de la chromatine. Les histones jouent un rôle important dans l'empaquetage et le repliement de l'ADN.