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Transcription lorsque les chromosomes sont condensés


Les gènes sont-ils aussi bien transcrits lorsque les chromosomes sont condensés ?

Je veux concevoir un écran qui dépend des gènes non transcrits lorsque les chromosomes sont condensés (pour identifier les cellules qui ne peuvent pas se condenser).


Le compactage de l'ADN en chromatine est un processus très complexe qui implique non seulement l'ADN, mais aussi le code des histones. Certains diront peut-être que le code histone joue davantage un rôle dans l'état de la chromatine. Pour développer un écran, vous auriez compris l'acte de méthylation, acétylation, ubiquitination, et phosphorylation de tous les résidus d'histones modifiables. La modification des résidus d'histone détermine si la chromatine est à l'état d'hétérochromatine ou d'euchromatine et même dans quelles sections d'ADN sont accessibles et transcriptionnellement actives.

Il est également important de noter que la même modification de l'une des 8 protéines histones dans n'importe quel nucléosome (l'unité fondamentale de la chromatine) peut ne pas produire le même résultat.

Par exemple : La méthylation de l'histone H2 dans le premier nucléosome d'une "chaîne" de chromatine peut provoquer un silence tandis que la méthylation de l'histone H2 plus bas dans la "chaîne" de chromatine peut provoquer une activation.

C'est beaucoup d'informations mais peut-être qu'un jour vous serez celui qui résoudra le schéma ! C'est sûr que c'est fascinant.


La chromatine active et la transcription jouent un rôle clé dans la partition des chromosomes en domaines d'association topologique

Les progrès récents permis par la technique Hi-C ont dévoilé de nombreux principes de repliement chromosomique qui ont ensuite été liés à la maladie et à la régulation des gènes. En particulier, Hi-C a révélé que les chromosomes des animaux sont organisés en domaines d'association topologique (TAD), des domaines de chromatine compacts conservés au cours de l'évolution qui influencent l'expression des gènes. Les mécanismes qui sous-tendent la partition du génome en TAD restent mal compris. Pour explorer les principes du repliement TAD chez Drosophila melanogaster, nous avons effectué des séquences d'ARN Hi-C et poly(A)(+) dans quatre lignées cellulaires d'origines diverses (S2, Kc167, DmBG3-c2 et OSC). Contrairement aux études précédentes, nous constatons que les régions entre les TAD (c. Cependant, les inter-TAD de drosophile hébergent une chromatine active et des gènes transcrits de manière constitutive (ménagères). En conséquence, nous constatons que la liaison des protéines isolantes dCTCF et Su(Hw) prédit les limites TAD bien pire que les marques de chromatine actives. Fait intéressant, les inter-TAD correspondent à des inter-bandes décompactées de chromosomes polytènes, alors que les TAD correspondent principalement à des bandes densément emballées. Collectivement, nos résultats suggèrent que les TAD sont des domaines de chromatine condensés appauvris en marques de chromatine active, séparés par des régions de chromatine active. Nous proposons le mécanisme d'auto-assemblage de TAD basé sur la capacité des nucléosomes de la chromatine inactive à s'agréger, et l'absence de cette capacité dans les réseaux nucléosomiques acétylés. Enfin, nous testons cette hypothèse par des simulations de polymères et trouvons que la partition TAD peut s'expliquer par différents modes d'interactions internucléosomiques pour la chromatine active et inactive.

© 2016 Oulianov et al. Publié par Cold Spring Harbor Laboratory Press.

Les figures

Positions génomiques d'association topologique…

Les positions génomiques des domaines d'association topologique (TAD) sont largement conservées parmi les Drosophile cellules…

Partitionnement des chromosomes en TAD…

Le partitionnement des chromosomes en TAD et inter-TAD reflète les distributions des actifs et des réprimés…

Niveau de transcription élevé et haut…

Un niveau de transcription élevé et une teneur élevée en chromatine active interfèrent avec l'emballage de l'ADN…

Distribution des gènes de ménage, intensité…

Distribution des gènes de ménage, intensité de la transcription et présence de chromatine active,…

Les inter-TAD correspondent au chromosome polytène…

Les inter-TAD correspondent à des interbandes de chromosomes polytènes. ( UNE ) Notre annotation des TADs…


La structure et la fonction de la chromatine

La chromatine est un complexe de macromolécules composées d'ADN, d'ARN et de protéines, qui se trouve à l'intérieur du noyau des cellules eucaryotes. La chromatine existe sous deux formes : l'hétérochromatine (condensée) et l'euchromatine (étendue). Les principaux composants protéiques de la chromatine sont les histones qui aident à organiser l'ADN en structures de type «billes» appelées nucléosomes en fournissant une base sur laquelle l'ADN peut être enroulé. Un nucléosome est constitué de 147 paires de bases d'ADN enroulées autour d'un ensemble de 8 histones appelé octomère. Le nucléosome peut être encore replié pour produire la fibre de chromatine. Les fibres de chromatine sont enroulées et condensées pour former des chromosomes. La chromatine permet à un certain nombre de processus cellulaires de se produire, notamment la réplication de l'ADN, la transcription, la réparation de l'ADN, la recombinaison génétique et la division cellulaire.

Chromatine, chromosomes et chromatides

Les gens confondent souvent ces trois termes : chromatine, chromosome et chromatide. Bien que toutes ces trois structures soient composées d'ADN et de protéines dans le noyau, chacune est définie de manière unique.

Comme mentionné ci-dessus, la chromatine est composée d'ADN et d'histones qui sont emballés dans de fines fibres filandreuses. La chromatine subit une condensation supplémentaire pour former le chromosome. Ainsi, la chromatine est un ordre inférieur d'organisation de l'ADN, tandis que les chromosomes sont l'ordre supérieur de l'organisation de l'ADN.

Les chromosomes sont des groupements simple brin de chromatine condensée. Au cours des processus de division cellulaire de la mitose et de la méiose, les chromosomes se répliquent pour garantir que chaque nouvelle cellule fille reçoive le nombre correct de chromosomes. Un chromosome dupliqué est double brin et a la forme familière en X. Les deux brins sont identiques et connectés à une région centrale appelée centromère.

Une chromatide est l'un des deux brins d'un chromosome répliqué. Les chromatides reliées par un centromère sont appelées chromatides sœurs. À la fin de la division cellulaire, les chromatides sœurs se séparent et deviennent des chromosomes filles dans les cellules filles nouvellement formées.

La fonction de la chromatine

Emballage d'ADN

C'est la fonction la plus fondamentale de la chromatine : la compactification de longs brins d'ADN. La longueur de l'ADN dans le noyau est bien supérieure à la taille du compartiment dans lequel il est stocké. Pour tenir dans ce compartiment, l'ADN doit être condensé d'une certaine manière. Le rapport de compactage est utilisé pour décrire le degré auquel l'ADN est condensé. Pour atteindre le rapport de compactage global, l'ADN n'est pas conditionné directement dans la structure de la chromatine. Au lieu de cela, il contient plusieurs hiérarchies d'organisation.

Le premier niveau de compactage est obtenu par l'enroulement de l'ADN autour du nucléosome, ce qui donne un rapport de compactage d'environ 6. Cette structure est invariante à la fois dans l'euchromatine et l'hétérochromatine de tous les chromosomes. Le deuxième niveau d'emballage est l'enveloppement de billes dans une fibre de 30 nm qui se trouve à la fois dans la chromatine en interphase et dans les chromosomes mitotiques. Cette structure augmente le taux de compactage à environ 40. Le compactage final se produit lorsque la fibre est organisée en boucles, échafaudages et domaines qui donnent un taux de compactage final d'environ 1 000 dans la chromatine interphase et d'environ 10 000 dans les chromosomes mitotiques.

Règlement de transcription

La transcription est un processus dans lequel l'information génétique stockée dans l'ADN est lue par des protéines puis transcrite en ARN, et l'ARN sera ensuite traduit en protéines fonctionnelles. Si la chromatine se renforce et restreint l'accès aux protéines lues, aucune transcription ne se produit. L'euchromatine, un type étendu de chromatine, peut conduire le processus de transcription. Alors que l'hétérochromatine, le type condensé de chromatine, est trop serrée pour que l'ADN soit lu par les protéines.

Les fluctuations entre la chromatine ouverte et fermée peuvent contribuer à la discontinuité de la transcription, ou à l'éclatement de la transcription. D'autres facteurs peuvent probablement être impliqués, tels que l'association et la dissociation des complexes de facteurs de transcription avec la chromatine. Le phénomène, par opposition aux modèles probabilistes simples de transcription, peut expliquer la grande variabilité de l'expression génique survenant entre les cellules d'une population isogénique.

Réparation de la chromatine et de l'ADN

L'emballage de l'ADN dans la chromatine présente une barrière à tous les processus basés sur l'ADN. En raison de l'arrangement hautement dynamique des protéines et de l'ADN, la chromatine peut facilement changer de forme et de structure. La relaxation de la chromatine se produit rapidement sur le site d'un dommage à l'ADN, ce qui permet aux protéines de réparation de se lier à l'ADN et de le réparer.

1. Comings D E. La structure et la fonction de la chromatine [M]. Les progrès de la génétique humaine. Springer États-Unis, 1972: 237-431.

2. Widom J. Structure, dynamique et fonction de la chromatine in vitro [J]. Revue annuelle de la biophysique et de la structure biomoléculaire, 1998, 27(1): 285-327.

3. Mercer T R, Mattick J S. Structure et fonction des ARN longs non codants dans la régulation épigénétique [J]. Biologie structurale et moléculaire de la nature, 2013, 20(3): 300-307.


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Chromosomes

Le matériel d'archives génétiques est condensé en chromosomes. (Gauche - cliquez pour agrandir l'image)

1. une des deux chromatides sœurs
2. centromère (région du kinétochore)
3. bras court
4. long bras q

Un chromosome contient un long brin de acide désoxyribonucléique contenant des gènes, des séquences régulatrices et des séquences non codantes de nucléotides, en association avec des protéines. Le complément chromosomique complet d'une cellule comprend le génome, qui est l'information héréditaire complète d'un organisme contenue dans des macromolécules d'ADN d'archives.

Les multiples chromosomes nucléaires de eucaryotes exister en tant que nucléosomes dans lequel de longs brins hélicoïdaux d'ADN sont enroulés autour de protéines structurelles appelées histones – ce matériau composite est appelé chromatine (diagramme). Chaque chromosome eucaryote comprend un ou deux (soeur) chromatides (1), chacun avec un kinétochore (2) pour la fixation à un microtubule de l'appareil à fuseau pendant la division cellulaire. Les chromatides ont un bras long (q) et un bras court (p) attachés au centromère (2). Les chromatides sœurs s'attachent les unes aux autres, ou à l'appareil à fuseau, au moyen de protéines spéciales et de séquences de bases d'ADN dans la région du kinétochore.

Les chromosomes (Gk. « corps colorés ») sont les plus visibles pendant la métaphase (tem) et les moins condensés (dispersés) lorsqu'ils participent à l'expression (tem, tem2), comme cela se produit dans les cellules à gros noyaux indifférenciés (cellule cancéreuse tem colorée, microscopie à fluorescence du cancer, cellules souches, cellule immature avec oncogène (points noirs) ).

Procaryotes possèdent la plupart du temps un, parfois deux* chromosomes appelés nucléoïdes (tem). Les procaryotes n'ont pas de noyau entouré d'une membrane et leur ADN est généralement contenu dans des structures circulaires situées dans le cytosol, mais peut être organisé en brins linéaires qui sont généralement attachés à la membrane plasmique. Plasmides sont de petits éléments génétiques circulaires extrachromosomiques qui peuvent être transmis d'une bactérie à une autre par les pili lors de la conjugaison. (Suite)

Chromatine (ADN plus protéine histone) existe sous deux formes de base (tem) :
1. Euchromatine, à partir duquel l'ADN est activement transcrit (exprimé) en ARN pour une traduction finale en molécules polypeptidiques et protéiques.
2. Hétérochromatine, qui consiste soit :
une. Hétérochromatine facultative, qui est parfois exprimé.
b. Hétérochromatine constitutive, qui se situe autour du centromère et contient généralement des séquences répétitives, et qui n'est jamais exprimée.

Nucléosomes compacter l'ADN et le rendre inaccessible et donc inactif car les facteurs de transcription ne peuvent se lier qu'à l'ADN nu (euchromatine). Les nucléosomes sont mobiles, permettant à l'euchromatine (hétérochromatine facultative déroulée) d'être exprimée (activement transcrite en ARN pour une traduction finale en molécules polypeptidiques et protéiques). La structure des protéines histones est hautement conservée. Chaque cellule humaine contient environ 30 millions de nucléosomes. Alors que le code génétique détermine la production de protéines, un « second code » peut déterminer l'emplacement structurel des nucléosomes. Le nouveau code est décrit dans le numéro de juillet '06 de Nature par Eran Segal et ses collègues. aucun schéma global n'était apparent. Les Drs Segal et Widom ont analysé la séquence à quelque 200 sites du génome de la levure où les nucléosomes sont connus pour se lier, et ont découvert qu'il existe en effet un schéma caché... Le schéma est une combinaison de séquences qui rend il est plus facile pour l'ADN de se plier et de s'enrouler étroitement autour d'un nucléosome. Mais le motif ne nécessite que certaines des séquences présentes dans chaque site de liaison du nucléosome, donc ce n'est pas évident. " [NYT].

Résumé lié : Un code génomique pour le positionnement des nucléosomes.
Les génomes eucaryotes sont emballés dans des particules de nucléosomes qui empêchent l'ADN d'interagir avec la plupart des protéines de liaison à l'ADN. Les nucléosomes ont une affinité plus élevée pour des séquences d'ADN particulières, reflétant la capacité de la séquence à se plier fortement, comme l'exige la structure du nucléosome. Cependant, on ne sait pas si ces préférences de séquence ont une influence significative sur la position des nucléosomes in vivo, et régulent ainsi l'accès d'autres protéines à l'ADN. Ici, nous avons isolé des séquences liées aux nucléosomes à haute résolution à partir de levures et utilisé ces séquences dans une nouvelle approche informatique pour construire et valider expérimentalement un modèle d'interaction nucléosome-ADN et pour prédire l'organisation à l'échelle du génome des nucléosomes. Nos résultats démontrent que les génomes codent pour une organisation intrinsèque des nucléosomes et que cette organisation intrinsèque peut expliquer environ 50 % des positions des nucléosomes in vivo. Ce code de positionnement du nucléosome peut faciliter des fonctions chromosomiques spécifiques, notamment la liaison au facteur de transcription, l'initiation de la transcription et même le remodelage des nucléosomes eux-mêmes.
Segal E, Fondufe-Mittendorf Y, Chen L, Thastrom A, Field Y, Moore IK, Wang JP, Widom J. Un code génomique pour le positionnement des nucléosomes. La nature. 19 juillet 2006 [Publication électronique avant impression]
Changer le paysage de l'ADN : mettre un SPN sur la chromatine. [Curr Top Microbiol Immunol. 2003] PMID: 12596908 Des contacts locaux spécifiques entre les séquences histones et l'ADN facilitent la liaison nucléosome non coopérative à haute affinité du facteur adf-1 et du facteur GAGA. [Rés. 1998] PMID: 9826764Nouvelles règles de séquence d'ADN pour la liaison à haute affinité à l'octamère d'histone et le positionnement du nucléosome dirigé par la séquence. [J Mol Biol. 1998] PMID : 9514715 Le facteur de choc thermique peut activer la transcription tout en étant lié à l'ADN nucléosomique chez Saccharomyces cerevisiae. [Mol Cell Biol. 1994] PMID : 8264586Emballage des nucléosomes et positionnement des nucléosomes de l'ADN génomique. [Proc Natl Acad Sci U S A. 1997] PMID: 9037027Voir tous les articles connexes.

BIOLOGIE MOLÉCULAIRE : CONDITIONNEMENT DE L'ADN DE LA CHROMATIN ET SILENCE GÉNÉTIQUE : Le nucléosome est l'élément de répétition de base de la chromatine et se compose de 147 paires de bases (pb) d'ADN enroulé 1,7 fois autour d'un octamère de protéines histones (deux copies chacune des histones centrales H2A, H2B, H3 et H4). Les nucléosomes sont connectés par environ 20 à 60 pb d'ADN de liaison pour former le réseau de "perles sur une chaîne" de 10 nm. Cela peut être encore compacté en une fibre de chromatine "30 nm". Deux classes de modèles pour la chromatine ont été proposées : hélice d'ordre supérieur ou (b) "l'hélice à deux départs" dans laquelle les nucléosomes, reliés par un ADN de liaison direct, zigzaguent entre deux piles hélicoïdales adjacentes.Pour distinguer ces deux modèles concurrents de repliement de la chromatine d'ordre supérieur, Dorigo et co -les travailleurs ont utilisé un système in vitro entièrement défini pour générer des puces nucléosomiques régulières. L'analyse de la longueur des empilements de nucléosomes, désormais connectés uniquement par des liaisons croisées internucléosomiques, a révélé une organisation à deux départs plutôt qu'à un seul départ. Cette interprétation a été corroborée par la microscopie électronique. Ainsi, les interactions locales entre les nucléosomes peuvent conduire à l'auto-organisation en une fibre de chromatine d'ordre supérieur. Adapté de : Adone Mohd-Sarip et C. Peter Verrijzer (Science 2004 306:1484) PubMed Mohd-Sarip A, Verrijzer CP. Biologie moléculaire. Un ordre supérieur de silence. Science. 2004 Nov 26306(5701):1484-5.Commentez sur : Science. 26 nov. 2004 (5701) : 1571-3. & Science. 26 nov. 2004 (5701) : 1574-7.

Emballage des nucléosomes et positionnement des nucléosomes de l'ADN génomique. Les objectifs de cette étude étaient d'évaluer dans quelle mesure les séquences d'ADN génomique en vrac contribuent à leur propre emballage dans les nucléosomes et de révéler la relation entre l'emballage et le positionnement des nucléosomes. En utilisant un test de reconstitution de nucléosomes compétitif, nous avons constaté qu'au moins 95% des séquences d'ADN en vrac ont une affinité pour l'octamère d'histone dans les nucléosomes qui est similaire à celle de l'ADN synthétisé au hasard, elles contribuent peu à leur propre emballage au niveau des nucléosomes individuels. Une équation a été développée qui relie l'énergie libre mesurée à l'occupation fractionnaire de positions spécifiques des nucléosomes. De toute évidence, la majeure partie de l'ADN génomique eucaryote n'est pas non plus évoluée ou limitée pour un positionnement significatif des nucléosomes dirigés par la séquence au niveau des nucléosomes individuels. Les implications pour la régulation des gènes in vivo sont discutées. Lowary PT, Widom J. Emballage des nucléosomes et positionnement des nucléosomes de l'ADN génomique. (Article en texte intégral gratuit) Proc Natl Acad Sci U S A. 1997 février 1894(4):1183-8.

* par exemple, Vibrio cholerae et Déinocoque radiodurans


Discussion

Dans cette étude, nous trouvons que la condensine de levure de fission médie les interactions à longue distance de la chromatine et confine la mobilité de la chromatine en interphase, comme elle le fait en mitose [17]. Bien que quantitativement l'effet de l'interphase soit beaucoup moins prononcé, il apporte une contribution cruciale à la stabilité du génome.

La condensine de levure de fission fait la navette entre le cytoplasme et le noyau. Alors que l'équilibre est biaisé vers le cytoplasme pendant une grande partie du cycle cellulaire, la condensine s'accumule dans le noyau suite à la phosphorylation mitotique Cdk de sa sous-unité Cut3 sur la thréonine 19 [9]. Il se pourrait donc que la condensine de levure de fission conserve une activité biochimique constante, à l'exception de sa localisation subcellulaire régulée par le cycle cellulaire. L'augmentation quantitative des interactions de la chromatine à longue distance médiées par la condensine dans la mitose serait alors la simple conséquence de l'augmentation de la concentration de condensine nucléaire à ce moment-là. D'autre part, la phosphorylation de Cdk de la condensine des vertébrés augmente son activité de surenroulement de l'ADN in vitro et est une condition préalable à sa capacité à former des chromosomes in vitro [53]. Chez la levure bourgeonnante, le renouvellement dynamique de la condensine sur les chromosomes est ralenti suite à la phosphorylation mitotique de Cdk [54]. Nous ne pouvons donc pas exclure la possibilité que la condensine de levure de fission soit également régulée par le cycle cellulaire de manière supplémentaire à sa localisation subcellulaire. Dans les deux cas, nos résultats suggèrent que la condensine a un impact sur la chromatine de manière principalement similaire à la fois en interphase et en mitose. Les travaux futurs exploreront davantage comment les modifications dépendantes du cycle cellulaire régulent les activités biochimiques de la condensine et le comportement in vivo.

Étant donné que la condensine s'engage dans une interaction à longue distance avec la chromatine à la fois en interphase et en mitose, il a été surprenant d'observer que le volume chromosomique en interphase diminue après l'épuisement de la condensine. L'inverse se produit dans la mitose lorsque les chromosomes augmentent de volume suite à l'épuisement de la condensine [17, 28, 55]. On peut imaginer deux scénarios pour expliquer cette énigme. Le premier concerne les dommages à l'ADN qui résultent de l'épuisement de la condensine. L'ADN endommagé est organisé en grappes [56], ce qui pourrait à son tour compacter l'ADN. Si nous pensons au volume chromosomique du point de vue de la physique des polymères, l'ADN endommagé est divisé en segments plus petits et, encore une fois, ceux-ci peuvent occuper un volume plus petit. Nous devons garder à l'esprit que la chromatine G2 existe liée à sa chromatide sœur par la cohésine, donnant un polymère en forme d'échelle avec une certaine longueur de persistance. Une rupture d'ADN pourrait réduire la longueur de persistance car un lien longitudinal sur l'un des deux axes est rompu, permettant à la chaîne plus flexible résultante d'adopter une structure plus compacte. Conformément à cette interprétation, l'inhibition de la transcription a supprimé les dommages à l'ADN ainsi que la réduction du volume d'ADN après l'épuisement de la condensine. Un inconvénient de cette explication est que le compactage du volume après l'épuisement de la condensine a été observé dans toutes les cellules, tandis que les dommages à l'ADN et la formation de foyers Rad52 n'étaient évidents que dans un sous-ensemble de cellules.

Nous pouvons envisager une autre possibilité de voir comment la condensine contribue à l'homéostasie du volume chromosomique par bouclage de l'ADN. Il a été observé que la condensine extrude activement des boucles d'ADN dans certaines conditions in vitro [57]. Si un phénomène similaire se produit in vivo, la conversion d'un polymère linéaire en boucles courtes pourrait conduire à une augmentation de volume dépendant de la condensine. Que la condensine extrude en effet de manière autonome les boucles d'ADN in vivo reste incertain. La condensine pourrait également former des boucles par capture séquentielle d'ADN, qui s'étendent ensuite tandis que la condensine se déplace le long des unités de transcription entraînées par les ARN polymérases en tant que moteur extrinsèque [20, 23, 58]. Indépendamment du mécanisme sous-jacent à la formation de boucle, l'absence de boucle suite à l'épuisement de la condensine pourrait entraîner la contraction du volume interphasique observée. À des concentrations plus élevées de condensine en mitose, le regroupement des boucles et peut-être l'imbrication des boucles conduiront à une compaction chromosomique que la condensine est connue à ce stade. D'autres recherches sur la façon dont la condensine génère des boucles, complétées par des approches computationnelles et théoriques, seront nécessaires pour comprendre le rôle de la condensine dans l'organisation de la chromatine.

Notre système expérimental a fourni une occasion unique de déterminer l'impact de l'épuisement de la condensine en interphase, tout en évitant les effets de confusion de la progression du cycle cellulaire avec une fonction de condensine compromise. Cela a révélé que la condensine est nécessaire pour empêcher la génération spontanée de foyers de réparation d'ADN Rad52 dans le noyau en interphase. En cohérence avec le rôle de la condensine dans la protection contre les dommages intrinsèques à l'ADN, Arabidopsis les mutants de la condensine II présentent une signature DSB [59] et smc2 knockdown dans les cellules ES de souris induit des foyers de réparation de l'ADN γ-H2AX [60]. De plus, la levure de fission cnd2-1 la mutation provoque un délai d'entrée mitotique dépendant du point de contrôle même en l'absence de dommages exogènes [10]. Mais quelle pourrait être la source des dommages à l'ADN ? L'observation que le traitement à la thiolutine empêche la formation de foyers de dommages suggère qu'il s'agit d'un processus couplé à la transcription. L'ADN simple brin est exposé après inactivation de la condensine de levure de fission [61], encore une fois dépendant de la transcription active [23]. Avec l'observation de cassures d'ADN simple brin d'origine naturelle au niveau des promoteurs de gènes actifs et de la décompaction des promoteurs dépendant de la transcription [62, 63], cela met en évidence le défi de la stabilité du génome qui résulte du déroulement de l'ADN et de la souche topologique associée à la transcription des gènes. Pour comprendre comment la condensine transmet son effet protecteur, il sera important de cartographier les emplacements de liaison préférentielle de la condensine dans le noyau interphasique, ainsi que les emplacements des sites fragiles où l'ADN se brise en son absence.


Transcription lorsque les chromosomes sont condensés - Biologie

Les biophysiciens modélisent les conformations des chromosomes en interphase, en basant souvent les forces des interactions entre segments distants sur la carte génétique sur des fréquences de contact déterminées expérimentalement. Ici, à la place, nous développons un modèle minimal sans ajustement : des « facteurs de transcription » bivalents rouges et verts se lient aux sites apparentés dans des séries de billes (« chromatine ») pour former des ponts moléculaires stabilisant les boucles. En l'absence de forces explicites supplémentaires, les simulations de dynamique moléculaire révèlent que les "facteurs" liés se regroupent spontanément - rouge avec rouge, vert avec vert, mais rarement rouge avec vert - pour donner des structures rappelant les usines de transcription. Liaison de seulement deux facteurs de transcription (ou des protéines) aux régions actives et inactives des chromosomes humains produit des rosettes, des domaines topologiques et des cartes de contact très similaires à ceux observés expérimentalement. chromosomes à toutes les échelles.


Chromosomes et caryotypes

Les chromosomes sont constitués de molécules d'ADN double brin enroulées autour d'histones et condensées dans la forme X familière. En fonctionnement normal, ces chromosomes sont décondensés dans le noyau et non reconnaissables.

Les réarrangements génomiques à grande échelle entraînent des anomalies génétiques. Les biologistes utilisent une technique appelée propagation des chromosomes suivi d'un caryotype ou caryogramme . Pour propager un chromosome, on bloque la progression de la mitose à la métaphase où les chromosomes sont condensés dans les structures que nous connaissons. Une analyse du caryotype est un arrangement du chromosome réparti dans les paires homologues de chromosomes.

Un caryotype "spectral" d'un noyau féminin. Chaque paire homologue est “peint” pour les différencier.


Chromosomes et caryotypes

Les chromosomes sont constitués de molécules d'ADN double brin enroulées autour d'histones et condensées dans la forme X familière. En fonctionnement normal, ces chromosomes sont décondensés dans le noyau et non reconnaissables.
Les chromosomes en interphase ne sont pas visibles individuellement. En préparation de la division nucléaire (mitose ou méiose), ils commencent à s'organiser plus étroitement et à se condenser en vue du déplacement vers les noyaux filles suivants. L'animation ci-dessous illustre le processus d'empaquetage des histones et la visualisation moléculaire de la réplication de l'ADN. Histones sont des protéines qui aident à l'emballage des chromosomes en bobines organisées qui donnent naissance aux chromosomes reconnaissables pendant la métaphase.

Les réarrangements génomiques à grande échelle entraînent des anomalies génétiques. Les biologistes utilisent une technique appelée propagation des chromosomes suivi d'un caryotype ou caryogramme . Pour propager un chromosome, on bloque la progression de la mitose à la métaphase où les chromosomes sont condensés dans les structures que nous connaissons. Une analyse du caryotype est un arrangement du chromosome réparti dans les paires homologues de chromosomes.

Un caryotype “spectral” d'un noyau féminin. Chaque paire homologue est “peint” pour les différencier. Les événements associés à la séparation incorrecte des chromosomes au cours de la métaphase entraînent une altération du nombre de chromosomes dans la génération ultérieure de cellules. En utilisant les Pop-beads, nous pouvons mieux comprendre comment le timing de ces événements entraînera des différences dans le caryotype.


Que sont les chromosomes et les territoires chromosomiques ?

Alors que les chromosomes en métaphase peuvent être représentés comme des corps distincts avec des formes et des tailles bien définies, les chromosomes en interphase sont moins uniformes et, en remplissant l'espace nucléaire, difficiles à distinguer. Malgré cela, des recherches récentes ont révélé comment l'architecture nucléaire dicte l'arrangement des chromosomes en interphase et l'organisation territoriale dans les cellules différenciées.

Le repliement de l'ADN dans les nucléosomes atteint le niveau de compactage initial de 6 fois. Les variants d'histone présents dans le noyau du nucléosome, les modifications post-traductionnelles et la position de l'histone H1 du lieur peuvent tous contrôler l'accessibilité de l'ADN pour la transcription à ce niveau de compactage. Une condensation supplémentaire de la chromatine dans des fibres de 30 nm (c'est-à-dire en zigzag ou en solénoïde) est suggérée par des données in vitro et doit encore être prouvée ou discréditée pour exister in vivo. Pendant l'interphase, la chromatine est repliée en domaines de 300 à 700 nm, qui forment ensemble un territoire chromosomique. La structure et l'organisation des boucles de la chromatine à l'intérieur d'un territoire chromosomique reste l'objet de débats et il a été proposé d'exister sous forme de solénoïde, ou de zigzag, ou de nucléosomes, ou un hybride de ceux-ci.

Pendant l'interphase, chaque chromosome occupe un domaine spatialement limité, à peu près elliptique, appelé territoire chromosomique (CT) [1] [2] . Chaque territoire chromosomique est composé d'unités de chromatine d'ordre supérieur de

1 Mo chacun. Ces unités sont probablement constituées de domaines de boucle plus petits. D'autre part, les domaines 1Mb peuvent eux-mêmes servir d'unités plus petites dans les structures de chromatine d'ordre supérieur [1] .

Les territoires chromosomiques sont connus pour être disposés radialement autour du noyau. Cet arrangement est à la fois spécifique aux cellules et aux types de tissus et est également conservé au cours de l'évolution [3] .

Il a été démontré que l'organisation radiale des territoires chromosomiques était en corrélation avec la densité et la taille de leurs gènes. Dans ce cas, les chromosomes riches en gènes occupent des positions intérieures, tandis que les chromosomes plus gros et pauvres en gènes ont tendance à être situés à la périphérie [ [4] [5] [6] . Les territoires chromosomiques sont également des structures dynamiques, avec des gènes capables de se déplacer de la périphérie vers l'intérieur une fois qu'ils ont été « activés » [7] . Dans d'autres cas, les gènes peuvent se déplacer dans la direction opposée, ou simplement maintenir leur position [8] [9] . L'éviction de gènes de leurs territoires chromosomiques vers le compartiment interchromatine ou un territoire chromosomique voisin s'accompagne souvent de la formation de grandes boucles chromatiniennes décondensées [3] .

Modèles décrivant l'arrangement des territoires chromosomiques

Avec le développement des techniques biochimiques à haut débit, telles que 3C (&lsquochromosome conformation capture&rsquo) [10] et 4C (&lsquochromosome conformation capture-on-chip&rsquo [11] et &lsquocircular chromosome conformation capture&rsquo [12] ), de nombreuses interactions spatiales entre les chromatines voisines territoires ont été décrits. Ces descriptions ont été complétées par la construction de cartes de proximité spatiale pour l'ensemble du génome (e.g., pour une lignée cellulaire lymphoblastoïde humaine [13] ). Ensemble, ces observations et simulations physiques ont conduit à proposer différents modèles visant à définir l'organisation structurale des territoires chromosomiques [1] :

Sur le modèle CT-IC, l'espace entre les CT discrets peut être visualisé au microscope optique et électronique et est appelé compartiment interchromatine (IC). Les usines de transcription (TF, couleur verte) sont localisées majoritairement dans la région de la périchromatine. Dans le modèle ICN, le compartiment interchromatine n'est pas apparent. Au lieu de cela, l'espace entre les CT est occupé par des boucles de chromatine décondensées entremêlées, qui partagent souvent les mêmes usines de transcription.

1. Le modèle territoire chromosomique-compartiment interchromatine (CT-IC) décrit deux compartiments principaux : les territoires chromosomiques (CT) et un compartiment interchromatine (IC). Dans ce modèle, les territoires chromosomiques constituent un réseau de chromatine interconnecté [14] qui est associé à un espace 3D adjacent appelé compartiment interchromatine. Ce dernier peut être observé en utilisant à la fois la microscopie optique et électronique [15]

Au sein d'un seul territoire chromosomique, le chromosome d'interphase est divisé en régions définies en fonction du niveau de condensation chromosomique. Here, the inner part of the interphase chromosome is comprised of more condensed chromatin domains or higher-order chromatin fibers, while a thin (<200 nm) layer of more decondensed chromatin, known as the perichromatin region, can be found around the chromosomal periphery [16] . Functionally, the perichromatin region represents the major transcriptional compartment, and is also the region where most co-transcriptional RNA splicing takes place [17] [18] [19] . DNA replication [20] and DNA repair [21] is also predominately carried out within the perichromatin region. Finally, nascent RNA transcripts, referred to as perichromatin fibrils, are also generated in the perichromatin region. Perichromatin fibrils are then subjected to the splicing events by the factors, provided from the interchromatin compartment.

The lattice model, proposed by Dehgani et al. [22] is based on reports that transcription also occurs within the inner, more condensed chromosome territories and not only at the interface between the interchromatin compartment and the perichromatin region [23] [24] [25] [26] . Using ESI (electron spectroscopic imaging), Dehgani et al. showed that chromatin was organized as an array of deoxy-ribonucleoprotein fibers of 10&ndash30 nm in diameter. In this study, the interchromatin compartments, which are described in the CT-IC model as large channels between chromosome territories, were not apparent. Instead, chromatin fibers created a loose meshwork of chromatin throughout the nucleus that intermingled at the periphery of chromosome territories. Thus, inter- and intra-chromosomal spaces within this meshwork are essentially contiguous and together form the intra-nuclear space [22] .

2. The interchromatin network (ICN) model [27] predicts that intermingling chromatin fibers/loops can make both cis- (within the same chromosome) and trans- (between different chromosomes) contacts. This intermingling is uniform and makes distinction between the chromosome territory and interchromatin compartment functionally meaningless [1] . The advantage of the ICN model is that it permits high chromatin dynamics and diffusion-like movements. The authors propose that ongoing transcription influences the degree of intermingling between specific chromosomes by stabilizing associations between particular loci. Such interactions are likely to depend on the transcriptional activity of the loci, and are therefore cell-type specific.

The cell type-specific organization of chromosome territories has been studied by measuring the volume and frequency of intermingling between heterologous chromosomes. By using 3C (chromosome conformation capture) and FISH (fluorescence in situ hybridization) to map the regions of chromosome intermingling, it was revealed that these regions contain a higher density of active genes and are enriched with markers of transcriptional activation and repression, such as activated RNAPII. By comparing the positions of the CTs in undifferentiated mouse embryonic stem (ES) cells, ES cells in early stages of differentiation, and terminally differentiated NIH3T3 cells, it was shown that fully differentiated cells had a higher enrichment of RNAPII, compared to undifferentiated or less-differentiated cells. The findings support the notion that the intermingling regions have functional significance in the nucleus and provide a basis for understanding how the radial and relative positions of chromosomal territories evolve during the process of differentiation, explaining their organization in a cell type-dependent manner [28] .

3. The Fraser and Bickmore model [29] emphasizes the functional importance of giant chromatin loops, which originate from chromosome territories and expand across the nuclear space in order to share transcription factories. In this case, both cis- and trans- loops of decondensed chromatin can be co-expressed and co-regulated by the same transcription factory.

4. The Chromatin polymer models assume a broad range of chromatin loop sizes [30] and predict the observed distances between genomic loci and chromosome territories, as well as the probabilities of contacts being formed between given loci [31] . These models apply physics-based approaches that highlight the importance of entropy for understanding nuclear organization. By proposing the existence of conformational chromatin ensembles with structures based on three possible homopolymer states, these models also provide alternative structures to the traditional 30 nm chromatin fiber, which has been brought into question following recent studies [32] [33] [34] .

With a lack of experimental evidence to support these described models, it must be remembered that they serve only to hypothesize the structural and chemical properties of intermediate chromatin structures, and to highlight unanswered questions [1] . For example, the mechanisms that exist to control the rate and the extent of chromatin movement remain to be defined


Heterochromatin transcriptionally inactive

A chromosome is a condensed part of nucleoprotein complex generally seen during the M-phase of cell division meant for the distribution of genetic information
Whereas
Chromatin is an uncondensed part of nucleoprotein observed during interphase nucleus controlling metabolism and activities of the cell.

Heterochromatin and euchromatin are types of chromatin and polytene and lampbrush are special types of the chromosome called Giant chromosome

Nuclear chromatin Reported by – W.Flemming
Term chromosome is given by – Waldayer

Structure of nuclear chromatin

darkly stained network of long and fine threads called chromatin fibers chemically formed of DNA, RNA, and protein

Electronic microscopic studies show that chromatin fibre is formed of a chain of repeated units called nucleosomes

Fonction
Chromatin fibre contains DNA which acts as genetic material
Synthesis of structural and enzymatic protein

Types
During cell division at interphase chromatin differentiated into two parts

UNE) Heterochromatin
The thick (250 Å) and darkly stained region where DNA is condensed which is transcriptionally inactive this generally lies near nuclear lamina
Less affected by temperature, sex, or age

B) Euchromatine
True chromatin is thin about 30-80 Å less darkly stained and transcriptionally active and early replicating, high frequency of crossing over
More affected by temperature, sex, or age


Voir la vidéo: Chromatin, Histones and Modifications, Rate My Science (Janvier 2022).