5.9: Emballage de chromatine

Chaque cellule somatique humaine contient 6 milliards de paires de bases d'ADN. Chaque paire de bases mesure 0,34 nm de long, ce qui signifie que chaque cellule diploïde contient 2 mètres d’ADN. Comment un brin d’ADN aussi long peut-il être emballé dans un noyau mesurant seulement 10 à 20 microns de diamètre ?

La chromatine

En combinaison avec une protéine spécialisée de liaison à l’ADN appelée histones, la double hélice d’ADN forme un complexe ADN compact : une protéine appelée chromatine. La chromatine elle-même est ensuite compactée en structures d'ordre supérieur. Le niveau de compactage le plus élevé est atteint pendant la métaphase du cycle cellulaire, où la chromatine se condense pour former les chromatides d'un chromosome.

Nucléosomes

Les nucléosomes sont l’unité fonctionnelle et répétitive de base de la chromatine. Un nucléosome est constitué de 8 protéines histones enroulées autour de 147 paires de bases d'ADN. En microscopie électronique, la chromatine apparaît comme une structure ressemblant à des billes sur une corde en raison de la présence de nucléosomes sur toute sa longueur. Cet emballage raccourcit la longueur des fibres de sept fois.

Modèle solénoïde

Les nucléosomes sont ensuite enroulés en fibres de 30 nm, ainsi appelées en raison de leur diamètre d'environ 30 nm. Un tel compactage s'explique par une hypothèse largement acceptée : le modèle solénoïde. Un solénoïde fait référence à la structure d'un fil enroulé sur un axe central. Ce modèle propose que les nucléosomes soient disposés selon une conformation hélicoïdale gauche avec six nucléosomes ou plus par tour. L'une des protéines histones non essentielles, H1, joue un rôle essentiel dans le compactage des nucléosomes ; en son absence, la fibre chromatinienne se transforme en amas irréguliers de nucléosomes.

Le packaging de la chromatine est un domaine de recherche actif. Les nouvelles données émergentes ont permis aux scientifiques de considérer la chromatine et les nucléosomes non pas comme des structures hautement définies, mais plutôt comme un continuum de diverses conformations inter-convertibles à toutes les étapes de conditionnement de la chromatine.

Chaque cellule diploïde humaine contient environ deux mètres d'ADN, comprimé à l'intérieur d'un petit noyau de seulement quelques microns de diamètre. L'arrangement et l'enroulement de l'ADN à l'intérieur du noyau sont donc très organisés et étroitement régulés. Tout d'abord, l'ADN chromosomique est associé aux histones pour former une structure appelée chromatine.

L'unité structurelle et fonctionnelle de base de la chromatine est appelée nucléosome. L'association de l'ADN en nucléosome raccourcit de sept fois la longueur de l'ADN. Ensuite, un histone ne constituant pas le nucléosome, appelé H1, se lie à chaque nucléosome.

L'histone H1 change le chemin de l'ADN lorsqu'il sort du nucléosome, ce qui contribue à compacter davantage le complexe. Ces nucléosomes sont ensuite empilés les uns sur les autres, générant une fibre plus courte et plus épaisse d'un diamètre de 30 nanomètres, connue comme fibre de 30 nanomètres. La disposition des nucléosomes dans la fibre de 30 nanomètres s'explique par un modèle du solénoïde largement accepté.

Le modèle propose que les nucléosomes soient disposés en une confirmation hélicoïdale gauche avec six nucléosomes ou plus par tour. La longueur de l'ADN est alors multipliée par 50. Toute région de chromatine qui n'est pas transcrite ou répliquée activement existe sous forme de fibre de 30 nanomètres.

D'autre part, les régions de chromatine auxquelles on accède activement, existent sous forme étendue de collier de perles. Les fibres de 30 nanomètres sont enroulées plus loin pour former des boucles d'environ 300 nanomètres de longueur. Ces fibres sont ensuite compressées en bobines de 250 nanomètres de large.

Plus tard, au cours de la métaphase du cycle cellulaire, les fibres de chromatine forment des structures fortement condensées, appelées chromosomes. Le rapport global de compactage de l'ADN dans le chromosome est d'environ 1 pour 10 000. Une fois que la cellule se divise, le chromosome se débobine de nouveau.