Modification de la chromatine régulation des gènes
Pour pouvoir comprendre ce que signifie réellement la modification chrom atique, nous devons nous familiariser avec le concept d'expression différentielle des gènes.
Le corps humain est composé de plus de 200 types de cellules, et toutes ces cellules sont génétiquement identiques, c'est-à-dire qu'elles ont le même génome/ADN. Mais chaque cellule possède un protéome (ensemble de protéines) différent. Ainsi, les différences entre les types de cellules (différenciation cellulaire) sont simplement le résultat de l'expression différentielle des gènes.
L'expression différentielle desgènes est un processus qui permet aux organismes multicellulaires d'exprimer les gènes différemment dans les différentes cellules. En d'autres termes, c'est l'expression de gènes différents par des cellules ayant le même génome !
Par exemple, les cellules du foie et les cellules de la peau sont génétiquement identiques, mais des gènes différents sont exprimés.
Larégulation (contrôle) de l'expression des gènes est très importante pour la spécialisation des cellules(également appelée différenciation cellulaire) car elle permet aux organismes d'être plus efficaces avec les ressources et de s'adapter à l'environnement.
La régulation de l'expression des gènes eucaryotes se produit à l'une des étapes suivantes :
Réarrangement de la chromatine/modification de la chromatine : régule la conformation de la chromatine et l'accessibilité de l'ADN pour la transcription.
Contrôle transcriptionnel : régulation de la liaison de l'ARN polymérase à un promoteur pour réguler/contrôler la transcription.
Contrôle post-transcriptionnel : régule les modifications de l'ARN après la transcription.
Contrôle traductionnel : régule les étapes d'initiation et d'élongation de la traduction.
Contrôlepost-traductionnel: régule les modifications apportées aux protéines après la traduction . Souvent, le produit final de la régulation de l'expression des gènes eucaryotes est une protéine !
Rappelle-toi : l'expression des gènes implique des processus de transcription et de traduction (transformation de l'ADN en ARN, puis de l'ARN en protéines ! Pour une explication approfondie de toutes les étapes de la régulation de l'expression des gènes eucaryotes, consulte"Expression des gènes eucaryotes" !
Définition de la modification de la chromatine
La modification de lachromatine est la première étape de la régulation de l'expression des gènes eucaryotes, et elle se produit avant la transcription. Comme son nom l'indique, la modification de la chromatine consiste à modifier la structure de la chromatine des eucaryotes pour réguler l'expression de leurs gènes.
Rappelle-toi que dans les cellules eucaryotes, l'ADN est emballé avec des protéines dans un complexe élaboré appelé chromatine.
La chromatinese compose de nucléosomes (ADN enroulé autour d'unités de 8 protéines histones , de façon répétée).
L'ADN a une charge négative due aux groupes phosphates, tandis que les histones ont une charge positive due aux résidus de lysine (acide aminé Lys). C'est donc cette attraction entre des charges opposées qui permet à l'ADN de s'enrouler autour des histones et de former la chromatine.
Lachromatine se trouve à l'intérieur du noyau d'une cellule eucaryote.
Lamodification de la chromatine consiste à modifier les protéines histones ou les séquences d'ADN pour contrôler la transcription.
Pour en savoir plus sur l'expression des gènes chez les procaryotes, lis"L'expression des gènes chez les procaryotes" !
Il existe deux types différents de chromatine, basés sur le compactage de l'ADN dans le chromosome : l'hétérochromatine et l'euchromatine .
L'hétérochromatine est la région condensée du génome dont l'activité transcriptionnelle est faible.
L'euchromatine est la région peu compacte du génome, avec une activité transcriptionnelle élevée et des modifications des histones et de l'ADN.
Les modifications de la chromatine et leur fonction
Lorsque nous parlons de modification de la chromatine, nous parlons très probablement desmodifications qui se produisent sur les histones et l' ADN. La fonction principale de la modification de la chromatine est de préparer la chromatine à la réplication et à la transcription de l'ADN, et ce de deux façons:
En perturbant l'interaction des histones avec l'ADN.
En affectant le recrutement de protéines non histones (protéines ayant des activités enzymatiques) pour modifier la chromatine.
Il existe différentes modifications de la chromatine identifiées sur les histones. Il s'agit de l'acétylation, de la méthylation, de la phosphorylation, de l'ubiquitylation, de la SUMOylation (small ubiquitin-like modifier proteins), de la ribosylation ADP, de la déimination et de l'isomérisation de la proline. Toutes ces modifications fonctionnent comme des régulateurs de la transcription, mais certaines d'entre elles peuvent également réguler la réparation et la réplication de l'ADN.
Types de modifications de la chromatine
Bien que les scientifiques aient trouvé neuf types de modifications de la chromatine dans les cellules eucaryotes, nous ne parlerons que de trois d'entre elles : l'acétylation des histones, la méthylation de l'ADN et la méthylation des histones.
Acétylation des histones
L'un des types de modification de la chromatine les plus courants est l'acétylation des histones . Au cours de ce processus, la structure de la chromatine se relâche, rendant l'ADN plus accessible aux facteurs de transcription (protéines qui régulent l'expression des gènes en se liant directement à l'ADN), ce qui entraîne finalement l'activation de l'ARN polymérase pour qu'elle se lie à l'ADN et commence la transcription!
Leshistones sont des protéines qui contiennent une longue "queue" polypeptidique composée de 25 à 40 acides aminés. Cette queue peut être modifiée chimiquement par des enzymes cellulaires.
L'acétylation des histones consiste à attacher un groupe acétyle (-COCH3) aux molécules d'histones afin de desserrer leur emprise sur la molécule d'ADN, formant ainsi l'euchromatine. L'acétylation des histones est associée à l'activation transcriptionnelle .
Fondamentalement, pour "libérer" l'ADN de l'enroulement autour de l'histone, nous devons nous débarrasser de la charge positive de l'histone pour empêcher l'ADN chargé positivement d'être attiré par elle. Pour ce faire, nous attachons un groupe acétyle aux molécules d'histone à l'aide d'une enzyme appelée histone acétyltransférase (HAT). Les histones passent ainsi d'une charge positive à une charge neutre, ce qui diminue leur affinité pour l'ADN.
Maintenant que l'ADN est déballé, il est prêt pour la transcription !
L'acétylation des histones est réversible. Le processus inverse, qui consiste à retirer le groupe acétyle de l'histone, est appelé désacétylation et fait intervenir l'enzyme histone désacétylase (HDAC). La désacétylation entraîne un compactage serré de la structure de la chromatine(hétérochromatine) et est associée au silençage des gènes.
La méthylation de l'ADN
Laméthylation de l'ADN est un type de modification de la chromatine qui empêche/"éteint" la transcription de l'ADN en bloquant l'accès des facteurs de transcription à l'ADN (ex : bloque l'accès de l'ARN polymérase au promoteur).
Laméthylation de l'ADN est l'ajout d'un groupe méthyle (-CH3) aux nucléotides cytosine de l'ADN, ce qui modifie la séquence de l'ADN et bloque la transcription. Les enzymes qui pilotent ce processus sont appelées ADN méthyl transférases (DNMT).
Comment se produit la méthylation de l'ADN ? Au cours de la méthylation de l'ADN, un groupe méthyle se fixe à l'un des atomes de carbone de la molécule de cytosine, transformant la cytosine en S-méthyl cytosine.
Cette modification de la séquence d'ADN empêche la transcription.
Méthylation des histones
Laméthylation peut également se produire sur les histones. Lors de la méthylation des histones, un groupe méthyle est ajouté à l'histone. La méthylation des histones permet aux facteurs de transcription d'accéder plus facilement à l'ADN et d'activer la transcription des gènes si un seul groupe méthyle est ajouté. Mais si 2 ou 3 groupes méthyles sont ajoutés, les queues des histones se resserrent, ce qui réduit l'accès des facteurs de transcription et bloque la transcription !
Un autre type de modification de la chromatine est l'inactivation du chromosome X, le processus de création d'un chromosome X entièrement inactivé chez les femmes. L' inactivation du chromosome X se produit après la fécondation lorsque l'un des deux chromosomes sexuels X des femelles est inactivé par la perte d'acétylation des protéines histones des nucléosomes. Cette inactivation est un moyen d'égaliser le dosage des gènes que les mâles (qui n'ont qu'un chromosome X) et les femelles expriment !
Exemples de modification de la chromatine
À titre d'exemple, voyons comment le cancer et les modifications de la chromatine sont liés. Dans certains cas, la mutation de gènes régulateurs qui affectent la méthylation de l'ADN et l'acétylation des histones entraîne le développement de cellules cancéreuses (tumeurs).
Par exemple, une mutation du gène régulateur DNMT3A dans la méthylation de l'ADN peut provoquer une leucémie myéloïde aiguë. Les autres cancers associés aux mutations du DNMT3A sont l'adénocarcinome pulmonaire et l'adénocarcinome du côlon.
Une mutation du gène suppresseur de tumeur MLL2 affecte la méthylation des histones et peut entraîner un lymphome folliculaire, tandis qu'une mutation du gène MLL1 affecte la méthylation des histones et provoque une leucémie aiguë chez les nourrissons.
Savais-tu que la modification de la chromatine peut aussi affecter les champignons ? Les chercheurs ont découvert que chez les champignons pathogènes pour les plantes comme Ustilago maydis (champignon de la rouille), la modification de la chromatine aide à contrôler l'interaction avec l'hôte et leur capacité de virulence !
Modification de la chromatine - Principaux enseignements
- La modification de la chromatine (ou remodelage de la chromatine) est la première étape de la régulation de l'expression des gènes eucaryotes, et elle intervient avant la transcription.
- La modification de la chromatine consiste à modifier les protéines histones ou la séquence d'ADN pour contrôler la transcription.
- L'acétylation des histones est la fixation d'un groupe acétyle (-COCH3) sur les molécules d'histones pour desserrer leur emprise sur la molécule d'ADN, formant ainsi l'euchromatine. L'acétylation des histones est associée à l'activation transcriptionnelle .
- La méthylation de l'ADN est l'ajout d'un groupe méthyle (-CH3) aux nucléotides de cytosine de l'ADN, ce qui modifie la séquence de l'ADN et bloque la transcription.
Références
- Kouzarides, T., Modifications de la chromatine et leur fonction. Cell, 128(4), 693-705, 2007.
- Elías-Villalobos, A., Barrales, R. R., & Ibeas, J. I., Chromatin modification factors in plant pathogenic fungi : Insights from Ustilago maydis, Fungal Genetics and Biology, 129, 52-64, 2019.
- Campbell, N. A., Biologie, 2017.
- ClutchPrep, des vidéos spécifiques aux manuels scolaires pour les collégiens. (s.d.). Www.clutchprep.com.
- ClutchPrep, vidéos spécifiques aux manuels scolaires pour les collégiens, (n.d.).
- Mary Ann Clark, Jung Ho Choi, Douglas, M. M., & College, O., Biologie. Openstax, Université de Rice, 2018.
- Pack, P. E., AP biology, 2013.
_______ est un processus qui permet aux organismes multicellulaires d'exprimer les gènes différemment selon les cellules.
Expression différentielle des gènes
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