Cours 2 by BEN CHIR

CHAPITRE

II : STRUCTURE CHROMOSOMES

ORGANISATION

DES

Les chromosomes de mammifères ont deux fonctions biologiques.  Perpétuer le matériel héréditaire au cours du développement d'un individu. Grâce à la réplication et à la répartition égale de l'ADN dupliqué entre les cellules filles au cours de la division mitotique, ils assurent la permanence de l'ADN dans les cellules d'un individu au cours de son développement, de sa croissance et du renouvellement de ses cellules.  Assurer le brassage du matériel héréditaire au cours des générations successives. Le brassage est réalisé grâce au mécanisme de la méiose qui assure une répartition indépendante et la recombinaison entre les homologues parentaux.

Squelette chromosomal

De ce chromosome mitotique (donc sous forme de deux chromatides-sœurs), toutes les histones ont été retirées; reste un squelette protéique (en noir) auquel sont attachées d'innombrables boucles d'ADN. On trouve principalement une proteine majeure : la topoisomérase II

Les centromères, structure et rôle dans la ségrégation des chromosomes.

Ce sont des éléments d'ADN actifs en cis, responsables de la ségrégation des chromosomes pendant la mitose et la méiose Les chromosomes normaux ont chacun un seul centromère qui peut être identifié cytologiquement comme une constriction primaire, région au niveau de laquelle les chromatides sœurs sont associées. Le centromère est essentiel à la ségrégation au moment de la division cellulaire. les fragments chromosomiques qui n'ont pas de centromère (fragments acentriques) ne s'attachent pas au fuseau mitotique et ne peuvent donc être inclus dans le noyau d'aucune cellule fille. Au cours de la prophase tardive de la mitose, une paire de kiné kinétochores se forme au niveau de chaque centromè centromère. chacun attaché attaché à une chromatide sœ sœur. De multiples microtubules du kiné kinétochore s'attachent à chaque kiné kinétochore et cré créent un lien physique entre le centromè centromère d'un chromosome et les deux pôles du fuseau.

Séquences des centromères de dix chromosomes de levure.

Tous contiennent trois éléments de base, I, Il et III. Les nucléotides conservés sont soulignés et repris dans une séquence canonique au bas de la figure, dans laquelle u désigne A ou G et R désigne A ou T. Les flèches au-dessus de la séquence canonique indiquent une répétition inversée qui pourrait être importante pour la fixation d'une protéine.

Les caractéristiques structurales communes et particulières de plusieurs régions CEN : Les régions CEN ne s'hybrident pas l'une à l'autre dans des conditions strictes d'hybridation. Cependant elles ont en commun deux courtes régions homologues (notées éléments I et III ) séparées par la région II qui est riche en paires de bases A . T. Une délétion du segment I à III élimine la fonction centromèrique mitotique et méiotique du plasmide. Des mutations et des délétions plus spécifiques dans ces éléments montrent que la fonction centromérique mitotique dépend fortement de l'intégrité de la région III et moins de celle de I et II, alors que la fonction méiotique de CEN dépend de l'intégrité des trois éléments. Le segment de 627 pb contenant CEN 3 a été éliminé du chromosome lui-même, Ce chromosome acentrique est instable dans la levure. Cependant, lorsque ce segment de 627 pb est inversé dans le chromosome, il fonctionne normalement. la région CEN 3 du chromosome 3 peut être remplacée complètement par CEN 11 sans effets fâcheux. Cette expérience montre que les centromères fonctionnels ne sont pas spécifiques d'un chromosome.

II. Structure du télomère et sont rôle dans la stabilité des chromosomes. •

Les fonctions du télomère sont multiples, on peut citer :

 la protection vis-à-vis de la dégradation par les nucléases.  le maintien de la longueur des chromosomes lors de la réplication.  un rôle dans l’organisation de la structure chromatinienne durant l’interphase, via un attachement à la membrane nucléaire.  Enfin les structure télomèriques exercent un effet inhibiteur sur l’expression des gènes situés à leur proximité. Deux énigmes moléculaires importantes sont posées par ces structures. •

La première concerne la réplication : comment les extrémités 5' de l'ADN duplex chromosomique sont-ils complétés si les ADN polymérases ne peuvent pas initier de nouvelles chaînes. La synthèse du brin retardé du DNA ne peut pas se faire lorsque la DNA polymérase atteint l'extrémité 3' du brin modèle, faute de place pour une amorce complémentaire. S'il n'y avait pas de mécanisme particulier, à chaque réplication le DNA du chromosome serait raccourci.

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La seconde énigme concerne la stabilité des extrémités d'ADN dans les cellules eucaryotes : Généralement, si des coupures dans les duplex d'ADN ne sont pas rapidement réparées par ligature, elles favorise l'action des exonucléases ou des recombinaisons. Cependant, les extrémités chromosomes sont stables et les chromosomes individuels n'ont pas tendance à se joindre bout à bout.

Ces deux énigmes suggèrent que les télomères possèdent des propriétés moléculaires particulières.

Protection vis-à-vis de la dégradation par les nucléases

Perte de l’extrémité télomérique En [1], A chaque division cellulaire de l’extrémité 3’ du DNA linéaire d’un chromosome. du fait de la réplication allant de 5’ en 3’, il est nécessaire d’avoir une amorce de RNA et une primase pour démarrer la réplication. En (2], la réplication a commencé. En [3], l’amorce RNA est supprimée laissant potentiellement un ‘trou’ par lequel le DNA pourrait être dégradé. En [4], l’extrémité télomérique nouvelle se recourbe pour faire une extrémité en ‘épingle de cheveux’, comme dans la figure précédente.

protection vis-à-vis de la dégradation par les nucléases

Schéma d’un télomère en épingle. Le fragment 5’ se termine normalement. En [1], le fragment 3’ se recourbe en épingle. Les guanines [2] se combinent entre elles par une modification de leur configuration des sucres associés. L’extrémité est ainsi protégée de la dégradation par les DNAses.

Elongation des télomères pendant la réplication • Lorsque des ADN linéaires terminés par des télomères de Tetrahymena sont répliqués dans la levure, les extrémités des molécules nouvellement synthétisées font l'objet d'une modification. • Elles sont prolongées d'environ 200 pb par l'addition des répétitions en tandem 5'CnA-3' typiques des télomères de levures mais pas de Tetrahymena. • De plus les coupures simple brin sont localisées comme chez la levure et non comme chez Tetrahymena. • Des observations analogues ont été observées lorsque des télomères de diverses autres espèces sont testés dans des cellules hétérologues. • L'élongation des extrémités des chromosomes semble faire partie du processus normal de la réplication. Structure des télomères • La structure des télomères eucaryotes est faite de longs brins de séquences répétées. • Un brin d'ADN du télomère contient des séquences TG-riches et se termine à l'extrémité 3‘ par le brin complémentaire est CA-riche. • Au contraire des centromères, la séquence des télomères a été hautement conservée au cours de l'évolution: il existe une similarité considérable dans les séquences répétées, par exemple TTGGGG(Paramecium), TAGGG (Trypanosoma), TTTAGGG (Arabidopsis) et TTAGGG (Homo sapiens) La Télomérase La télomérase est une DNA polymérase qui peut continuer la synthèse d'un DNA simple brin. Cette enzyme comprend un RNA de 450 nucléotides dont l'extrémité 5' terminale est 5'CUAACCCUAAC... Cette extrémité sert de modèle pour l'enzyme en vue de la synthèse de quelques unités de la répétition TTAGGG. Après cette synthèse l'enzyme glisse le long du brin de DNA et recommence de nouvelles unités. L'extrémité 3' du brin modèle ainsi allongée peut servir à la pose d'une amorce nouvelle : l'extrémité 3'-OH de cette amorce sert alors de point de départ pour la DNA polymérase pour synthétiser l'autre brin. L’activité télomérasique. La télomérase est une désoxynucléotidyl transférase terminale. (présente une composante ARN et une composante protéique) Elle est normalement exprimée dans les cellules souches germinales, au cours de l’embryogenèse et au niveau des cellules souches originelles. Elle n’est pas exprimée dans les cellules normales différenciées (cellules somatiques). On retrouve une activité télomérasique importante dans les cellules hautement malignes, et la présence de télomérase serait un indice de mauvais pronostic. Une voie thérapeutique nouvelle peut également être recherchée par des substances à activité anti-télomérase qui serait très spécifiques des tumeurs malignes.

III. Les origines de replication.

IV. Chromosome artificiel de levure. YAC : Yeats artificial chromosome Les fonctions biologiques des chromosomes eucaryotes dépendent fondamentalement de trois classes de séquences d'ADN: • les centromères • les télomères • les origines de réplication. Cela a permit la construction de chromosomes artificiels chez la levure (YAC : Yeats artificial chromosome). un vecteur de clonage spécialisé construit à partir de grands fragments d'ADN étranger artificiellement liés à de courtes séquences déterminant un centromère fonctionnel, deux télomères et une origine de réplication.