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LE NOYAU: STRUCTURE ET ORGANISATION FONCTIONNELLE - Coggle Diagram
LE NOYAU: STRUCTURE ET ORGANISATION FONCTIONNELLE
Généralités sur le noyau: 3 caractéristiques définissent le noyau des cellules eucaryotes:
2e caractéristique
:
L'enveloppe nucléaire délimite un volume: le
nucléoplasme
. Il renferme la presque totalité de l'information génétique (>99%) des cellules eucaryotes (le reste étant dans les mitochondries).
22 paires d'autosomes + 2 gonosomes.
L'ADN est associée à de nombreuses protéines intervenant dans son organisation et dans ses fonctions métaboliques.
Le contenu du nucléoplasme en interphase s'appelle la chromatine, elle est de 2 types:
L'hétérochromatine
: dense aux électrons, apparaît sombre, région peu active, en périphérie condensée autour des histones.
L'euchromatine
: peu dense aux éléctrons, claire, transcription active, au centre.
Les chrs sont invisibles durant le noyau interphasique et visible en mitose (et méiose), phase durant laquelle l'ADN et ses protéines associées sont dans un état très condensé.
Le nucléoplasme contient le nucléosquelette ou la matrice nucléaire, qui participe à l'organisation structurale et fonctionnelle du nucléoplasme. Le nucléoplasme est une entité compartimentée sans usage de membrane interne (un ou plusieurs nucléoles).
3e caractéristique
:
L'enveloppe nucléaire est à l'interface entre le cytosquelette dans le cytosol et le nucléosquelette dans le nucléoplasme. Elle contient sur sa face cytosolique des protéines transmembranaires qui la relient aux 3 types de constituants du cytosquelette (
MT, MF, FI)
et des
ribosomes fixés à des translocons
(phase de synthèse des protéine). Et, elle comporte sur sa face nucléoplasmique, des protéines transmembranaires qui la relient aux structures "filamentaires" contenues dans le nucléoplasme:
Le nucléosquelette
ou matrice nucléaire composé de FI de lamine (et de protéines associés).
La chromatine
(+ ou - condensée).
Les MF d'actine
Csq: les pathologies du cytosquelette, celles des protéines de l'enveloppe nucléaire et celles des constituants de la matrice nucléaire auront un retentissement global sur l'organisation et le fonctionnement du noyau et donc de la cellule.
Le noyau disparaît pendant la mitose
:
4 phénomènes se déroulent au début de la mitose:
Les MT cytosoliques, fixés à des protéines sur la face cytosolique de l'enveloppe nucléaire, la déforment et pèlent le nucléoplasme avec l'intervention de MAP motrices (dynéine).
L'enveloppe nucléaire se fragmente en vésicules
qui se fondent dans le RE et n'est plus visible transitoirement.
Le matériel se condense
en chrs mitotiques.
L'une des csq est la
désorganisation puis la disparition du ou des nucléoles
.
Certains constituants des pores nucléaires, de la matrice nucléaire, la
protéine monomérique RAN
(phénomène import/export)
interagissent avec le fuseau mitotique et les centrosomes
responsables des mvt des chrs.
L'enveloppe nucléaire et le noyau se reconstituent à la fin de la mitose
.
Métabolisme de l'ADN et échanges nucléo-cytoplasmiques au travers de l'enveloppe nucléaire:
Ce sont 2 aspects des fonctions nucléaires:
La réplication de l'ADN
correspond au doublement du matériel génétique de la cellule (seulement pendant la phase S du cycle cellulaire).
La transcription de l'ADN
( :warning: ET NON traduction :!: ) en diverses familles d'ARN se déroule pendant la presque totalité du cycle cellulaire (y compris pendant la 1ere phase de la mitose appellée prophase :warning: mais pas après). Autrement dit: la
transcription de l'ADN est IMPOSSIBLE durant la MITOSE SAUF durant la PROPHASE
en raison de la
condensation extrême de l'ADN des chrs**. Lorsque l'ADN est trop condensée, sa structure est proche de l'hétérochromatine. Il n'y a donc pas de transcription car il n'y a pas d'accès à la matrice. La transcription est compartimentée dans le noyau car les gènes impliqués présentent des localisations différentes dans le nucléoplasme. Dans l'euchromatine du nucléoplasme (nucléole éxclu) sont transcrits:
ARN messagers
ARN de transfert
ARN ribosomal de petite taille: ARNr 5S
ARN 7SL de la SRP
ARN de petites tailles (micro ARN) et les ARN de divers groupes de ribonucléoprotéines
Le nucléole est le site de transcription des
3 autres ARN ribosomaux (5,8; 18; 28S)
2 mécanismes réparent l'ADN nucléaire pendant la presque totalité des phases du cycle cellulaire
correction pendant la phase S
(simultanée avec la réplication = correction sur épreuve)
Réparation pendant les phases G1, G2 et au cours de la prophase.
Les échanges sont permanents avec le cytoplasme par les pores nucléaires:
Cytosol ---> nucléoplasme
: enzymes (dont l'ADN polymérases), les nucléotides, les protéines enzymatiques, protéine de structure (histones par ex), les protéines régulatrices, les ions...
Nucléoplasme ---> cytosol
: diverses classes d'ARN associés en ribonucléoprotéines. Le noyau est en relation étroite avec le SEM puisque l'enveloppe nucléaire est une région spécialisée du RE.
Le nucléoplasme est un espace compartimenté
(nucléole visible en MO, sous compartiments de maturation des ARNm...).
1ere caractéristique du noyau:
Le noyau (visible en MO) représente 10% du volume de la cellule (1 à 3 microns) et est délimité par une
membrane nucléaire
( la compartimentation est un avantage sélectif). La membrane nucléaire participe donc à la traduction. Celle-ci est la
citerne du RE
portant sur sa face cytoplasmique des
ribosomes
. Elle est interrompue par des
pores nucléaires
par lesquelles transitent des molécules partant du nucléoplasme ou allant vers lui. L'ensemble des pores nucléaires est le site privilégié des échanges entre le cytoplasme et le nucléoplasme. Il y a une activité intense donc il faut bcp de pores (les échanges sont bi-diretionnels).
En MO ---> nucléole, la chromatine (dense et claire)
En ME ---> nucléole, la chromatine (dense et claire), le RE, l'enveloppe nucléaire, le cytosquelette et les ribosomes.
Il s'agit d'une différence majeure entre les cellules procaryotes et eucaryotes. La compartimentation permet de faire plusieurs chose en même temps, c'est un avantage en terme évolutif.
L'enveloppe nucléaire
:
C'est une
citerne du RE
interrompue par de nombreux pores nucléaires. Elle sépare physiquement et métaboliquement le nucléoplasme du reste de la cellule. Dans la cellule interphasique, le nucléoplasme est considéré comme un volume partiellement clos (composition différente du cytoplasme pour le métabolisme de l'ADN et de l'ARN). Les échanges se font par les
pores nucléaires
.
Sa face cytosolique fonctionne comme une citerne du REG:
Elle porte les ribosomes et participe à la
néosynthèse de protéines et à leurs modifications (N-glycosilation...)
. Des protéines TM relient l'enveloppe avec le cytosquelette:
MFA, MT et FI
. Le domaine luminal de ces protéines TM d'intéraction avec le cytosquelette, interagit avec le domaine luminal de protéines insérées dans la face nucléoplasmique de l'enveloppe nucléaire. La face cytosolique de la membrane externe, possède
tous les attributs du REG
:
translocons, protéines membranaires et solubles nécessaires à la synthèse de protéines et à leur maturation (chaperons), des pompes Ca2+/ ATPase et des récepteurs au cytosquelette
. L'enveloppe nucléaire est en fait
2 membranes concentriques
(membrane nucléaire externe et membrane nucléaire interne): chaque membrane mesure de
5,5 à 6nm
(membrane plasmique = 7,5nm) . Il existe entre ces 2 membranes un espace
intermembranaire ou périnucléaire de 20nm
environ. L'enveloppe fait donc 31-32nm au total. Elle a des relations avec le cytosquelette sur la face cytoplasmique et avec la lamina, la chromatine et le nucléosquelette sur l'autre (face nucléoplasmique de la membrane nucléaire interne).
Du côté de la membrane interne on retrouve des
protéines TM liées aux MFA nucléaire, des récepteurs de l'IP3
(utilisation du Ca2+ de l'espace périnucléaire),
des récepteurs de lamines d'histones et protéines associées.
Le pore nucléaire permet les échanges directs entre le cytosol et le nucléoplasme.
Sa face nucléoplasmique est très différente de sa face cytosolique:
Elle comporte 3 types de protéines TM agissant comme des récepteurs:
Protéines TM interagissant avec MFA
présentes dans le nucléoplasme. Leur domaine luminal se fixe au domaine luminal des protéines de la face cytosolique de l'enveloppe nucléaire--> il y a donc une continuité mécanique entre le cytosquelette et le nucléoplasme.
Les protéines TM fixant spécifiquement des lamines:
Ces FI forment la lamina nucléaire (lamina densa, lamelle dense) sous la face nucléoplasmique de l'enveloppe nucléaire. Les lamines de type B sont ancrées dans la face nucléoplasmique de l'enveloppe nucléaire par un
groupement farnésyl
et sont absentes du reste du nucléoplasme. Les lamines dépourvues de groupements farnésyls (A et C) sont localisés à la fois dans la lamina ET le reste du nucléoplasme. La lamina s'interrompt au nv des pores. FI = protéines les + stables.
Mutation du gène LMNA---> Protéine tronquée=progérine---> accumulation ssf farnésylés---> déformation---> progéria typique de Hutchinson-Gilford (vieillissement précoce).
Les protéines TM fixant les histones et autres protéines associées à l'ADN
au sein des chrs (ex: protéine HP1 de l'hétérochromatine).
L'enveloppe nucléaire constitue un lieu de stockage du Ca2+:
Il y a 3 types de constituants indispensables:
Ca 2+/ATPase
sur la face cytosolique de l'enveloppe nucléaire pour le transport actif des Ca2+ depuis le cytosol vers la lumière de l'enveloppe nucléaire.
Les canaux de libération du Ca2+
sur la face nucléoplasmique de l'enveloppe: récepteurs de l'IP3. Il est produit au sein du nucléoplasme par clivage des phospholipides de la face nucléoplasmique.
Les protéines solubles ou membranaires
fixant le Ca2+ (pouvant aussi le libérer) comme la calséquéstrine, ou l'utilisant pour leurs fonctions chaperonnes.
La face nucléoplasmique de l'enveloppe
peut donner naissance à des tubules ou des canalicules qui pénètrent dans le nucléoplasme. Ces tubules présentent des récepteurs de l'IP3. Les tubules et canicules peuvent libérer des ions Ca2+. Les ions Ca2+ interviennent dans les échanges nucléocytoplasmique et les fonctions nucléaires en général.
Les pores nucléaires: structure et composition chimique
Le pore nucléaire présente une structure complexe de symétrie d'ordre 8:
Le pore est délimité par 2 anneaux
de taille identique ancrés dans les 2 membranes.
Chaque anneau possède un orifice central et 8 orifices latéraux
.
Chaque anneau est
rélié au transporteur central
(9nm) au travers de l'épaisseur du pore par
8 bras radiaires
(donc 16 au total).
L'anneau cytosolique possède des f
ilaments orientés vers le cytosol perpendiculaires à la membrane d'enveloppe.
L'orifice central est délimité par une structure cylindrique =
transporteur central lié aux 16 bras radiaires au nv de la saillie.
L'ensemble du pore fait
120 nm de diamètre
.
Un 3e anneau (de taille inferieure) se situe dans le nucléoplasme et est relié à l'anneau nucléoplasmique par d'autres bras radiaires formant une sorte de cage. Il porte lui-même des filaments orientés perpendiculairement à la surface de l'enveloppe nucléaire. Ces filaments s'étendent dans le nucléoplasme. Il assure une sorte de réseau sous-membranaire, différent de la lamina. La lamina n'est pas continue, elle s'arrête au nv des pores :!:
Le pore nucléaires est plus complexe que les autres pores car il doit traverser 2 membranes :!:
Les échanges se font dans les 2 sens entre le cytosol et le nucléoplasme:
Les petites molécules (protéines, nucléotides...) et les ions
inférieur à 40kDa traversent les canaux latéraux par transport passif
(diffusion). Tandis que les grosses molécules passent par le
transporteur central, controlées par des protéines spécialisées: importines ou exportines
selon la direction du transport. Ces protéines sont ensuite recyclées après utilisation (selon un processus en 4 étapes) par transport actif (avec utilisation d'énergie). Fonctions: échanges noyau/cytoplasme. Le nombre de pore est parallèle à l'activité de la cellule. Tous les transporteurs centraux font de l'import et de l'export, ils ne décident pas, ce sont les importines et les exportines qui choisissent.
Cytosol---> nucléoplasme = import (Ex: enzymes pour la transcription de l'ADN, les protéines ribosomes pour RNP avec ARNr, nucléolines, les histones, récepteur aux hormones stéroïdes, lamines...)
Complexe d'importation:
Protéine avec séquence NLS
(Nuclear Localisation Signal)
Importines
:
alpha: reconnaissance de NLS
Béta: se lie à RAN GDP
Protéine G famille RAN (
GDP)
Il y a 4 étapes:
Fixation aux nucléoporines
(interactions domaines importines)
Traversée du transporteur
Dissociation
(du complexe d'importation)
Recyclage des constituants du complexe d'importation
:recycle:
Tous les transporteurs des pores font import et export
Nucléoplasme---> cytosol = export (ex: Tous les complexes ribonucléoprotéiques du nucléole et du nucléoplasme: RNP protéine + ARN synthétisée comme ARN messagers, de transferts...
Complexe d'exportation
:
Protéine avec séquence NES
(Nuclear Exportation Signal)
Exportines avec NLS
Protéine G de la famille de RAN
(GTP)
L'importine n'a pas vocation à rester dans le noyau: elle repart dans le cytoplasme pour chercher une nouvelle protéine avec NES.
Même principe avec 4 étapes:
Fixation nucléoporines
(interaction domaine exportine)
Traversée du transporteur central
Dissocation du complexe exportine
Recyclage
:recycle:
Les importines et les exportines reconnaissent les signaux d'adressage des molécules à transporter au travers du transporteur central du pore et reconnaissent 3 types de signaux:
Les NLS pour l'import
Les NES pour l'export
Les NRS pour les signaux de rétention
Cycle de la protéine G monomérique RAN
:
RAN est le pivot des mécanismes d'import et d'export via le transporteur central (ne s'occupe donc pas des ions par exemple). RAN traverse le transporteur central dans les 2 sens:
Du cytosol vers le nucléoplasme:
RAn est couplé au GDP.
RAN fait intervenir un f
acteur cytosolique: NTF2
. Celui-ci a une grande affinité avec RanGDP, joue le rôle
d'importine
et se détache du RAN couplé au GTP.
Du nucléoplasme vers le cytosol:
RAN est couplé au GTP
et est fixée à une
exportine
.
Lorsque RAN est couplé au GTP dans le nucléoplasme
:
RanGEF
(G Exchange Factor), spécifique de RAN, favorise l'échange, par RAN, du
GDP en GTP
. Cette protéine est localisée au nv des
filaments nucléoplasmiques
et de la cage du pore nucléaire.
Lorsque RAN est couplé au GDP dans le cytosol:
RanGAP
(G Activating Protein) fovarise l'échange, par hydrolyse de
GTP en GDP
. Cette protéine se situe au nv des
filaments cytosolique
du pore dans le cytosol.
Les protéines RanGEF et RanGAF changent le degré de phosphorylation de la protéine G manométrique RAN. La localisation asymétrique de GEF et de GAP entretient 2 gradients décroissants et de sens opposés de RanGTP (du nucléoplasme vers le cytosol) et de RanGDP (du cytosol vers le nucléoplasme).
Chaque pore possède plusieurs copies d'une trentaine de protéines différentes: nucléoporines
Ces nucléoporines interviennent dans les transports au travers des pores par leur interaction avec les complexes protéiques d'importation et d'exportation. Certaines possèdent un domaine de fixation à l'ADN ou aux ARN.
Le nucléoplasme
:
Structure et composition chimique de la chromatine
La chromatine
:
L'hétérochromatine
: dense, inactive, non codante
Constitutive
L'euchromatine
: Claire aux é, active, codante
ADN associée à des protéines organisatrices
3x10 puissance 9 nucléotides
/ Cellules en G0
Matrice nucléaire:
Lamina nucléaire
Constituants fibreux
Réseaux sous membranaires
Nuclear Mitosis Apparitus
La chromatine est organisée (séquences localisées). L'ADN eucaryote est associée à des protéines de structures, histones et non histones.
Histone:
protéine de structure:
Riche en
lysine et en arginine
(charge +, AA plutôt basique / ADN est de charge - par la présence des phosphates), petites (100 à 220 AA), très abondantes et conservée au cours de l'évolution (on les partage avec des eucaryotes + simples y compris monocitaire comme dans la levure) .
Divisées en 2:
Histones nucléosomiques
(H2A, H2B, H3, H4) (102 à 135 AA)
H1
(220 AA) liaison à l'ADN, hors du noyau nucléosomique mais il fait bien partit du nucléosome.
Nucléosome
(unité de base de l'organisation de la chromatine):
--> 200 paires de nucléotides et au :<3: du nucléosome ou, noyau nucléosomique il y a l'ADN = 146 paires de nucléotides
-->
"core" d'histones octaédrique
(2 H2A, 2 H2B, 2 H3, 2 H4) :warning: il n'y a pas de H1 dans l'histone octamérique.
1,8 tour d'ADN
autour de l'octamère
11nm
de diamètre
1 nucléosomoe toutes les 20 paires de nucléotides
H1... ADN internucléosomique
, assemblage de fibre de 30nm
boucles, des repliements (H1-P), (condensines, cohésines)
, chrs
non accessible aux enzymes de la transcription
La matrice nucléaire:
C'est l'ensemble du matériel restant dans le nucléoplasme après action de divers traitements qui enlèvent une partie de l'ADN, de l'ARN de grande taille et les protéines solubles associées à l'ADN et aux ARN.
La matrice comprend 3 types de constituants:
Les lamines
, qui sont attachées à l'enveloppe et qui forment la lamina, ou dispérsées dans le nucléoplasme.
Les autres constituants fibreux du nucléosquelette
donc dans le nucléoplasme
Les protéines insolubles, enzymes et ribonucléoprotéines
, qui restent dans le nucléoplasme après le traitement de préparation de la matrice.
Les lamines nucléaires:
C'est 2 familles de filaments intermédiaires spécifiquement nucléaire. Le gène
LMNA
code pour les lamines A et C et 2 gènes codent pour la lamine B. Les lamines A et B subissent différentes étapes de maturation post-traductionnelle (dans le Golgi) telles que:
1 farnésylation et 1 clivage protéolytique pour B
1 farnélysation et 2 clivages protéolytiques pour A
La localisation des lamines dépend des modifications post-traductionnelles qu'elles ont subi:
Les lamines B ancrées par leur groupement farnésyl dans le
feuillet nucléoplasmique de l'enveloppe
L
es lamines A et C devenues solubles
depuis la suppression de leur groupement farnésyl, intéragissant entre elles et avec la lamine B. On trouve donc des lamines A et C solubles (sans farnésyl) et insolubles (avec farnésyl, avant le clivage).
Les autres constituants fibreux de la matrice:
Un 1er réseau sous-membranaire
, en relation avec le petit anneau nucléoplasmique des pores nucléaire. Il présente une organisation grillagée + en profondeur dans le nucléoplasme. Il englobe les petits anneaux nucléoplasmiques des pores nucléaires.
Un 2e réseau qui occupe la totalité du nucléoplasme
, il comporte des granules entre chaque intersections de ses mailles. Ce 2e réseau n'est visible qu'après enlèvement des constituants classiques du nucléoplasme (ADN, ARN, protéines solubles...).
La matrice comporte d'autres molécules qui ne sont pas totalement solubilisées par les traitements classiques de préparation de la matrice:
Ces constituants restent fixés au réseau fibreux du nucléosquelette ce qui les rend insolubles.
Classement en plusieurs catégories:
Des constituants du cytosquelette
( :warning: à l'exception des MT !) par exemple: les actines associées ou non MF ou des composés d'actine (comme la myosine ou la filamine).
Des enzymes en relation avec les métabolismes de l'ADN et de l'ARN
(ADN polymérase, ARN polymérase, télomérases et autres protéines associées...)
Protéines diverses
comme celles faisant parties des complexes protéiques régulant l'organisation de la chromatine et des facteurs de transcription (r-glucocorticoides, NF, KB, Rb p53...). La protéine Rbp53 est un anti-oncogène, lorsqu'elle est mutée la division cellulaire est - contrôlée et les cancers apparaissent + facilement. On estime que la protéines Rbp53 est mutée dans environ 50% des cancers.
Le nucléole
(compartiment à part entière du noyau) :
C'est une masse intranucléaire, sphérique, de matériel colorable et non limité par une membrane. Le noyau comporte généralement 1 ou 2 nucléoles. Il est très riche en ARNr et protéines ribosomales. Même si il n'a pas de membrane il reste un compartiment à part entière. Même si il n'a pas de membrane c'est un compartiment à part entière. Il est visible en interphase, par MO, c'est un corpuscule réfringent. Lors de l'entrée en mitose le nucléole n'est plus visible et se reconstitue en fin de mitose. C'est le lieu de synthèse des ARNr (5,5 18, 28S) et le lieu de leur assemblage par les protéines ribosomales importées par le cytoplasme. C'est aussi le lieu de fabrication des SU ribosomales, qui vont ensuite rejoindre le cytoplasme pour former des ribosomes actifs. Il est visible dans un premier temps en certains points appelés
organisateurs nucléolaires
, qui sont des régions des chrs sur lesquelles les nucléoles vont se reformer à la fin de la mitose. :warning: Il n'y a pas de chromatine dans le nucléole, celui-ci est riche en ARNr et en protéine. Cependant tous les ARNr ne se situe pas dans le nucléole (5s est dans le nucléoplasme).
En MET on observe des préparations d'ARNr étalés--> image en "arbre de Noel" afin de distinguer le nucléole en entier. On distingue 3 zones concentriques:
Centre fibrillaire
: ADN séparant les gènes d'ARNr
Composant fibrillaire
: fibrilles d'ARNr néotranscrit
Composant granulaire
: ARNr et des protéines (nucélolines).
Composition chimique du nucléole:
Protéines
(80 à 90%):
ArgNor
(argyrophiles, colorantes au sel d'argent), ARN pol1, d'enonucléases...
ARN (5 à 10%)
Peu de chromatine
(seulement dans une zone spécifique).
Granules ribonucléoprotéiques
(sous-unités des ribosomes, des RNP nucléolaires de petites tailles).
