Fiche explicative de la leçon: ADN chez les eucaryotes Biologie

Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre comment décrire la structure des chromosomes dans les cellules eucaryotes, et expliquer le rôle des histones et des nucléosomes dans la formation des chromosomes.

Quelle taille faites-vous ? Êtes-vous aussi grand que l’ADN contenu dans une seule des cellules diploïdes de votre corps ? 

Le génome humain haploïde contient environ 3 milliards de nucléotides. Comme la plupart des cellules corporelles sont diploïdes, cela signifie que le noyau de la plupart des cellules contient 3 milliards de paires de bases. Chaque nucléotide fait environ 0,34 nanomètre de long, ce qui signifie qu’il y a environ 2 mètres d’ADN empaqueté à l’intérieur des cellules diploïdes ! 

Vous vous rappelez sans doute que les eucaryotes, y compris les humains, ont des organites liés à la membrane, comme le noyau, pour stocker l’ADN. Cet ADN est très organisé et étroitement empaqueté dans le noyau sous la forme de chromosomes. Chez les humains, il y a 46 chromosomes et chacun d’entre eux provient d’une seule molécule extrêmement longue d’ADN double brin. Cet ADN est compacté pour finalement donner la structure familière en forme de X connue sous le nom de chromosome, comme le montre la figure en 3D ci-dessous.

L’ADN n’est pas toujours compacté sous forme de chromosomes condensés comme sur la figure ci-dessus. En fait, l’ADN ne prend que cette apparence lorsque la cellule se prépare à subir une division. À ce stade, il s’agit de la forme la plus compactée que l’ADN puisse prendre. Lorsque les cellules ne se préparent pas à la division cellulaire, les 46 chromosomes sont mélangés sous une forme appelée la chromatine. C’est une structure très compacte, mais moins que celle en chromosome condensé.

En plus du noyau, il y a de l’ADN à l’intérieur des mitochondries et des chloroplastes. Ces organites remplissent des fonctions importantes pour fournir de l’énergie à la cellule ; les gènes pour ces processus sont situés dans l’ADN de ces organites. Les ADN mitochondriaux et chloroplastiques ont une structure circulaire.

Alors, comment l’ADN est-il compacté pour faire rentrer pratiquement 2 mètres de double hélice dans le noyau d’une cellule minuscule ? 

L’ADN passe par plusieurs niveaux d’organisation. Tout d’abord, la double hélice est enroulée autour de protéines spécialisées appelées les histones pour former des nucléosomes. Ensuite, ces nucléosomes sont de nouveau enroulés pour donner la chromatine. Comme mentionné précédemment, les cellules qui ne se divisent pas s’arrêteront à cette étape, mais si la cellule se prépare à la division, alors un autre niveau de compaction donne la structure du chromosome condensé. Ces étapes sont représentées sur la figure 2 et seront décrites plus en détail dans cette fiche explicative.

La compaction de l’ADN implique un groupe de protéines qui peuvent être classées en histones et protéines non-histones.

Les histones sont des protéines structurelles spécialisées, capables d’étroites interactions avec l’ADN. Ces interactions sont dues au fait que les histones et l’ADN ont des charges opposées. Les histones portent une charge positive car elles contiennent de nombreux acides aminés chargés positivement, comme l’arginine et la lysine. Ces acides aminés chargés positivement des histones peuvent se lier aux groupes phosphate chargés négativement de l’ossature sucre-phosphate de l’ADN.

Il y a aussi des protéines non-histones, notamment des protéines structurelles impliquées dans l’organisation spatiale de l’ADN dans le noyau, ainsi que des protéines régulatrices impliquées dans l’expression génique. Ces protéines régulatrices déterminent quelles protéines et quelles enzymes sont produites à partir de l’ADN.

L’ADN peut être étroitement enroulé autour d’un groupe d’histones pour donner une structure appelée le nucléosome. Chaque nucléosome contient 8 histones et environ 146 paires de bases. Observés avec un microscope puissant, les nucléosomes et l’ADN ressemblent à un collier de perle.

Les nucléosomes peuvent ensuite être assemblés pour former le prochain niveau de compaction, appelé la chromatine. La chromatine, avec ses histones et protéines non-histones, contient à peu près la même quantité d’ADN et de protéines. Dans les cellules qui ne se divisent pas, la chromatine est la façon dont l'ADN est compacté dans le noyau, comme le montre la figure en 3D ci-dessous, qui représente la chromatine à l'intérieur d'un noyau où chaque chromosome est dans son état décondensé et a différentes couleurs. Sous cette forme, les chromosomes ne sont pas condensés et sont mélangés ensemble. La chromatine subit un remodelage pour être accessible aux protéines et aux enzymes qui ont besoin d’interagir physiquement avec l’ADN, comme celles impliquées dans la réplication de l’ADN ou dans l’expression génique.

Au microscope, il est impossible de différencier les chromosomes lorsqu’ils sont à l’état de chromatine décondensée. Au dernier niveau de compaction de l’ADN, la chromatine est encore plus enroulée et compactée pour former la structure condensée du chromosome. Ce n’est qu’à ce stade qu’il est possible de différencier les chromosomes.

La chromatine ne se condense que pendant la phase de prophase de la mitose. La figure 4 ci-dessous donne un aperçu de la mitose. Vous pouvez remarquer l’ADN sous forme de chromatine pendant l’interphase (contenant les 46 chromosomes, tous mélangés), qui se condense ensuite pour révéler les différents chromosomes lors de la prophase. Pendant la division cellulaire, l’ADN doit être divisé équitablement entre les deux cellules filles, et il est beaucoup plus facile de le faire lorsque la chromatine est condensée en chromosomes organisés.

Exemple 3: Comprendre les étapes de la compaction de l’ADN

L’ADN est enroulé autour de protéines et enroulé en boucles, pour former la chromatine. À quelle étape la chromatine se condensera-t-elle pour former des chromosomes visibles ? 

1. immédiatement après la formation de la chromatine
2. lorsque les cellules seront stimulées par des messagers chimiques
3. peu de temps après la division cellulaire
4. lorsque les cellules seront fécondées
5. alors que les cellules se préparent à la division cellulaire

Réponse

Dans les cellules humaines, il y a 46 chromosomes ; si vous les étaliez et dérouliez, ils feraient environ 2 mètres de long ! De toute évidence, une telle quantité d’ADN a besoin d’être compactée pour rentrer dans noyau d’une cellule.

Chaque chromosome du noyau est une seule molécule d’ADN. Pour compacter cet ADN, il faut d’abord l’associer à des protéines spécialisées appelées les histones. L’ADN est capable de s’enrouler autour d’un groupe d’histones pour former un nucléosome. Ce nucléosome peut ensuite être de nouveau enroulé pour former la chromatine. La chromatine est la façon dont l'ADN est compacté dans les cellules qui ne se divisent pas. Dans les cellules qui se préparent à la division, la chromatine est davantage condensée pour former des chromosomes. Vous pouvez voir le processus global ci-dessous.

Par conséquent, la réponse est E : la chromatine se condense en chromosomes visibles lorsque les cellules se préparent à la division cellulaire.

La compaction de l’ADN peut être utilisée pour réguler la réplication de l’ADN ou l’expression des gènes d’un chromosome. Les gènes peuvent être « désactivés » en repliant l’ADN environnant autour d’eux, de sorte qu’ils ne soient pas accessibles pour les enzymes impliquées dans l’expression génique. Cet ADN doit être dans un état moins replié pour que les enzymes puissent agir dessus et permettre l’expression des gènes.

Un bon exemple de ce phénomène est l’inactivation du chromosome X chez les femmes. Rappelez-vous que les hommes ont une copie des chromosomes X et Y, tandis que les femmes ont deux copies du chromosome X. Cette deuxième copie du X doit être inactivée car avoir deux copies actives du X, avec le double des produits géniques, peut être mortel pour la cellule. La cellule est capable d’inactiver l’une des copies du chromosome X en la condensant étroitement, la rendant inaccessible pour l’expression génique.

Revenons sur les points clés que nous avons abordés dans cette fiche explicative.