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13.2: Compaction de l'ADN
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DNA Packaging
 
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TRANSCRIPTION

13.2: DNA Packaging

13.2: Compaction de l'ADN

Overview

Eukaryotes have large genomes compared to prokaryotes. In order to fit their genomes into a cell, eukaryotes must pack their DNA tightly inside the nucleus. To do so, DNA is wound around proteins called histones to form nucleosomes, the main unit of DNA packaging. Nucleosomes then coil into compact fibers known as chromatin.

You Have Enough DNA to Stretch to the Sun and Back Hundreds of Times

Most cells in the human body contain about 3 billion base pairs of DNA packaged into 23 pairs of chromosomes. It is hard to imagine exactly how much DNA these numbers represent. So how much packing has to happen to fit the genome into a cell?

We can gain some insight by expressing the genome in terms of length. If we were to arrange the DNA of a single human cell, like a skin cell, into a straight line, it would be two meters long–over 6.5 feet. The human body contains around 50 trillion human cells. This means that each person has a total of about 100 trillion meters of DNA. In other words, each person has enough DNA to stretch from the Earth to the Sun 300 times!

And humans do not have particularly large genomes–those of many fish, amphibians, and flowering plants are much larger. For example, the genome of the flowering plant Paris japonica is 25 times larger than the human diploid genome. These figures emphasize the astonishing task that eukaryotes must accomplish to pack their DNA inside cells.

Nucleosomes Are Central Players in DNA Packaging

Each nucleosome consists of DNA wrapped around a core of eight histone proteins. Each core is composed of four different types of histones—H2A, H2B, H3, and H4—that are each present in two copies. Another type of histone—H1—binds to both the nucleosome and the linker DNA, stabilizing the structure.

DNA becomes more compact as nucleosomes and linker DNA coil into chromatin fibers. Uncondensed chromatin fibers, or euchromatin, are approximately 10 nm in diameter. Nucleosomes resemble beads on a string in these fibers. As DNA continues to condense, the 10-nm fibers coil into strands that are approximately 30 nm thick, which in turn form loops that make 300-nm thick fibers. When chromatin is fully compacted it is known as heterochromatin.

The loosely packed structure of euchromatin allows enzymes, such as RNA polymerase, access to the DNA. Transcription, therefore, tends to occur predominantly in euchromatic regions of the genome, which are rich in genes. By contrast, the tightly packed structure of heterochromatin blocks access to the DNA, preventing transcription. Heterochromatin predominates in the centromeres and telomeres of chromosomes, where highly repetitive DNA sequences are much more common than genes. Furthermore, organisms can dynamically adjust the level of DNA packing in response to cellular and external environmental cues, de-condensing DNA when genes need to be turned on, and re-condensing it to turn them off.

Aperçu

Les eucaryotes ont de grands génomes par rapport aux procaryotes. Afin d’insérer leurs génomes dans une cellule, les eucaryotes doivent emballer leur ADN étroitement à l’intérieur du noyau. Pour ce faire, l’ADN est enroulé autour de protéines appelées histones pour former des nucléosomes, l’unité principale de l’emballage de l’ADN. Les nucléosomes s’enroulent ensuite en fibres compactes appelées chromatine.

Vous avez assez d’ADN pour s’étendre au soleil et revenir des centaines de fois

La plupart des cellules du corps humain contiennent environ 3 milliards de paires de base d’ADN emballées en 23 paires de chromosomes. Il est difficile d’imaginer exactement combien d’ADN ces chiffres représentent. Combien d’emballage doit-il arriver pour s’adapter au génome dans une cellule?

Nous pouvons obtenir un aperçu en exprimant le génome en termes de longueur. Si nous devions organiser l’ADN d’une seule cellule humaine, comme une cellule de la peau, en une ligne droite, il serait de deux mètres de long- plus de 6,5 pieds. Le corps humain contient environ 50 billions de cellules humaines. Cela signifie que chaque personne a un total d’environ 100 billions de mètres d’ADN. En d’autres termes, chaque personne a assez d’ADN pour s’étendre de la Terre au Soleil 300 fois!

Et les humains n’ont pas de génomes particulièrement grands – ceux de nombreux poissons, amphibiens et plantes à fleurs sont beaucoup plus grands. Par exemple, le génome de la plante à fleurs Paris japonica est 25 fois plus grand que le génome diploïde humain. Ces chiffres soulignent la tâche étonnante que les eucaryotes doivent accomplir pour emballer leur ADN à l’intérieur des cellules.

Les nucléosomes sont des acteurs centraux dans l’emballage de l’ADN

Chaque nucléosome se compose d’ADN enroulé autour d’un noyau de huit protéines histones. Chaque noyau est composé de quatre types différents d’histones — H2A, H2B, H3 et H4 — qui sont chacun présents en deux copies. Un autre type d’histone — H1 — se lie à la fois au nucléosome et à l’ADN du linker, stabilisant la structure.

L’ADN devient plus compact à mesure que les nucléosomes et la bobine d’ADN de linker dans les fibres de chromatine. Les fibres de chromatine non sous-densées, ou euchromatine, mesurent environ 10 nm de diamètre. Les nucléosomes ressemblent à des perles sur une chaîne dans ces fibres. Comme l’ADN continue de se condenser, les fibres de 10 nm se enroulent en brins qui sont d’environ 30 nm d’épaisseur, qui à son tour forment des boucles qui font des fibres de 300 nm d’épaisseur. Lorsque la chromatine est entièrement compactée, elle est connue sous le nom d’hétérochromatine.

La structure vaguement emballée de l’euchromatine permet aux enzymes, telles que la polymérase d’ARN, d’accéder à l’ADN. La transcription tend donc à se produire principalement dans les régions euchromatiques du génome, qui sont riches en gènes. En revanche, la structure serrée de l’hétérochromatine bloque l’accès à l’ADN, empêchant la transcription. L’hétérochromatine prédomine dans les centromères et les télomères des chromosomes, où les séquences d’ADN très répétitives sont beaucoup plus fréquentes que les gènes. En outre, les organismes peuvent ajuster dynamiquement le niveau d’emballage de l’ADN en réponse aux signaux environnementaux cellulaires et externes, désonstencer l’ADN lorsque les gènes doivent être activés, et le re-condensation pour les éteindre.


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