Biologie Cellulaire : Le Noyau, la Chromatine et les Transports Nucléocytoplasmiques

Jeu de fiches de révision couvrant la morphologie du noyau, les 6 niveaux d'organisation et de condensation de la chromatine, le contrôle épigénétique, la structure et la fonction du nucléole, ainsi que les mécanismes de transport nucléocytoplasmique (pores nucléaires, importines, exportines, Ran).

À quel système cellulaire appartient l'enveloppe nucléaire et avec quel organite est-elle en continuité directe ?

Elle appartient au système endomembranaire et se trouve en continuité avec le réticulum endoplasmique.

De quoi est constituée la chromatine ?

Elle est constituée d'$ADN$ et de protéines (protéines histones et protéines non-histones).

Que sont les lamines au niveau du noyau et où se localisent-elles ?

Ce sont un réseau de filaments intermédiaires (FI) fixé à la membrane nucléaire interne, formant la lamina nucléaire.

Quelles sont les deux formes morphologiques de la chromatine observées en microscopie ?

L'hétérochromatine (zones denses aux électrons) et l'euchromatine (zones claires).

En quoi consiste le premier niveau d'organisation de la chromatine ?

Le nucléosome (ou chromatine en « collier de perles »), formé d'environ $200\text{ pb}$ d'$ADN$ enroulés autour d'un octamère d'histones ($2 \times (H2A + H2B + H3 + H4)$).

Quelle proportion de l'euchromatine se trouve sous forme de « collier de perles » à un instant donné dans la cellule ?

Environ $10\,\%$, correspondant à la forme sous laquelle l'$ADN$ peut être transcrit.

Quel est le rôle de l'histone $H1$ dans l'organisation de la chromatine ?

Elle assure la compaction des nucléosomes pour former la fibre de chromatine de $30\,\text{nm}$ (deuxième niveau d'organisation).

Quelle proportion de l'euchromatine est présente sous forme de fibre de $30\,\text{nm}$ à un moment donné ?

Environ $90\,\%$ de l'euchromatine (forme compactée et silencieuse).

Quels sont les diamètres successifs des niveaux de condensation de la chromatine représentés du haut vers le bas sur ce schéma ?

$2\,\text{nm}$ (double hélice d'$ADN$), $11\,\text{nm}$ (collier de perles/nucléosomes), $30\,\text{nm}$ (fibre de chromatine), $300\,\text{nm}$ (domaines en boucles), $700\,\text{nm}$ (section décondensée), et $1400\,\text{nm}$ (chromosome mitotique entier).

En quoi consiste le troisième niveau d'organisation de la chromatine ?

L'organisation en rosettes ou domaines en boucle, stabilisés par des protéines d'isolement (protéines non-histones).

Quelle est la définition de l'épigénétique selon le cours ?

L'ensemble des mécanismes de contrôle de l'expression des gènes, sans modification de leur séquence nucléotidique, et transmissibles d'une cellule à sa descendance.

Quels sont les quatre types de mécanismes regroupés sous le contrôle épigénétique ?

Le code des histones, la méthylation de l'$ADN$ et fixation de protéines sur l'$ADN$ méthylé, les complexes de remodelage de la chromatine facilitant la transcription, et les $ARN$ non codants.

Quel est l'effet de l'hyperacétylation et de l'hyperméthylation des histones sur l'état de l'expression génique ?

L'hyperacétylation des lysines est associée aux gènes activés (décondensation en collier de perles), tandis que l'hyperméthylation des lysines et arginines est associée aux gènes silencieux (maintien en fibre de $30\,\text{nm}$).

Quelle est la différence entre l'hétérochromatine constitutive et l'hétérochromatine facultative ?

L'hétérochromatine constitutive est condensée et silencieuse en permanence, tandis que l'hétérochromatine facultative peut être réversiblement activée ou condensée selon le type ou l'état cellulaire.

En quoi consiste le quatrième niveau d'organisation de la chromatine et quel est son intérêt ?

Le regroupement en domaines fonctionnels (foyers de transcription et zones silencieuses positionnées près des lamines), permettant une amélioration des rendements.

Comment s'organise le cinquième niveau de la chromatine à l'échelle du noyau ?

En territoires chromosomiques ($23$ paires de chromosomes chez l'humain) selon une disposition régulée et radiaire, où le centre nucléaire concentre les chromosomes de petite taille et à forte densité de gènes actifs.

Quelle anomalie chromosomique et pathologie humaine sont illustrées sur ce schéma ?

La translocation réciproque $t(9;22)$ formant le chromosome Philadelphia (impliquant le gène bcr), caractéristique de la leucémie myéloïde chronique.

Comment est formé le chromosome mitotique (sixième niveau d'organisation) ?

Il est composé de deux chromatides sœurs réunies au centromère, chacune contenant l'une des deux molécules d'$ADN$ filles identiques produites par réplication en phase S.

Que sont les « speckles » ou granules interchromatiniens ?

Des compartiments nucléaires spécialisés dans les facteurs d'épissage.

Quels sont les trois compartiments morphologiques du nucléole et leurs rôles respectifs ?

La zone fibrillaire claire (« inactivité »), la zone fibrillaire dense (transcription de l'$ARN\text{r } 45S$, riche en fibrillarine), et la zone granulaire (élaboration et maturation des sous-unités ribosomales).

À quel processus biologique correspond cette ultrastructure en microscopie électronique qualifiée d'« aspect en sapins de Noël » ?

À la transcription nucléolaire des $ARN\text{r } 45S$ : le tronc central représente l'$ADN$, les branches sont les chaînes d'$ARN$ naissantes et les boules terminales correspondent aux complexes ribonucléoprotéiques.

Combien de gènes codent pour le transcrit primaire $ARN\text{r } 45S$ dans le génome humain et comment sont-ils disposés ?

$400$ gènes au total, disposés en $40$ copies en série réparties sur $5$ paires de chromosomes.

Quels $ARN\text{r}$ matures sont générés à partir du transcrit primaire $45S$ transcrit par l'$ARN$ polymérase I ?

L'$ARN\text{r } 18S$ (intégré à la petite sous-unité ribosomale) ainsi que les $ARN\text{r } 5{,}8S$ et $28S$ (intégrés à la grande sous-unité ribosomale avec le $5S$).

Quelles sont les deux contraintes majeures du passage à travers les pores nucléaires ?

Le transport doit être bidirectionnel et s'effectuer sans dénaturation des molécules transportées.

Quels sont les seuils de masse moléculaire et les particularités thermodynamiques distinguant le transport passif du transport actif au niveau du pore nucléaire ?

Le transport est passif pour les molécules de masse $< 50\,\text{kDa}$, et actif pour celles $> 50\,\text{kDa}$ (nécessitant de l'énergie et inactivé à $4\,^\circ\text{C}$).

Quelle est la structure générale du complexe du pore nucléaire ?

Une structure de $125\,\text{MDa}$ à symétrie octogonale, composée de $30$ nucléoporines différentes présentes chacune en $16$ à $32$ copies par pore.

Comment se répartit le gradient de nucléotides liés à la protéine Ran entre le cytosol et le noyau ?

Ran-$GDP$ est prédominante dans le cytosol, tandis que Ran-$GTP$ est prédominante dans le noyau.

Quel est le mécanisme d'importation d'une protéine par les importines ?

L'importine lie le signal $NLS$ de la protéine dans le cytosol, traverse le pore, puis la liaison de Ran-$GTP$ sur l'importine dans le noyau provoque la libération de la cargaison.

Quel est le mécanisme d'exportation d'une molécule par les exportines ?

L'exportine lie sa cargaison (signal $NES$) uniquement en présence de Ran-$GTP$ dans le noyau ; après passage dans le cytosol, l'hydrolyse de Ran-$GTP$ en Ran-$GDP + P_i$ provoque la dissociation du complexe et la libération de la cargaison.

Quel est le rôle du transporteur $NTF2$ ?

Il assure l'importation spécifique de Ran-$GDP$ du cytosol vers le noyau, où elle sera rechargée en $GTP$.

Quels critères caractérisent un $ARN\text{m}$ mature capable d'être exporté hors du noyau ?

Il doit être coiffé en 5', épissé et polyadénylé en 3' ; les transporteurs s'y fixent indirectement via la coiffe, les sites d'épissage et la queue poly-A.