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16.3 : Régulation des gènes épigénétiques eucaryotes

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    Compétences à développer

    • Expliquer le processus de régulation épigénétique
    • Décrire comment l'accès à l'ADN est contrôlé par la modification des histones

    L'expression des gènes eucaryotes est plus complexe que celle des gènes procaryotes car les processus de transcription et de traduction sont physiquement séparés. Contrairement aux cellules procaryotes, les cellules eucaryotes peuvent réguler l'expression des gènes à de nombreux niveaux différents. L'expression des gènes eucaryotes commence par le contrôle de l'accès à l'ADN. Cette forme de régulation, appelée régulation épigénétique, se produit avant même que la transcription ne soit initiée.

    Contrôle épigénétique : régulation de l'accès aux gènes du chromosome

    Le génome humain code plus de 20 000 gènes ; chacune des 23 paires de chromosomes humains code des milliers de gènes. L'ADN du noyau est enroulé, plié et compacté avec précision en chromosomes afin qu'il s'insère dans le noyau. Il est également organisé de telle sorte que des segments spécifiques soient accessibles selon les besoins par un type de cellule spécifique.

    Le premier niveau d'organisation, ou d'emballage, consiste à enrouler des brins d'ADN autour des protéines histones. Les histones conditionnent et ordonnent l'ADN en unités structurales appelées complexes nucléosomiques, qui peuvent contrôler l'accès des protéines aux régions de l'ADN (Figure\(\PageIndex{1}\) a). Au microscope électronique, cet enroulement d'ADN autour des protéines histones pour former des nucléosomes ressemble à de petites billes sur une ficelle (Figure\(\PageIndex{1}\) b). Ces billes (protéines histones) peuvent se déplacer le long de la chaîne (ADN) et modifier la structure de la molécule.

    La partie A décrit un nucléosome composé de protéines histones sphériques fusionnées entre elles. Une hélice d'ADN bicaténaire s'enroule deux fois autour du nucléosome. L'ADN libre s'étend de chaque extrémité du nucléosome. La partie B est une micrographie électronique de l'ADN associé aux nucléosomes. Chaque nucléosome ressemble à une perle. Les billes sont reliées entre elles par de l'ADN libre. Neuf perles enfilées ensemble mesurent environ 150 nm de diamètre.
    Figure\(\PageIndex{1}\) : L'ADN est enroulé autour des protéines histones pour créer (a) des complexes de nucléosomes. Ces nucléosomes contrôlent l'accès des protéines à l'ADN sous-jacent. Lorsqu'ils sont observés au microscope électronique (b), les nucléosomes ressemblent à des billes accrochées à une ficelle. (crédit « micrographie » : modification de l'œuvre de Chris Woodcock)

    Si l'ADN codant un gène spécifique doit être transcrit en ARN, les nucléosomes entourant cette région de l'ADN peuvent glisser vers le bas de l'ADN pour ouvrir cette région chromosomique spécifique et permettre au mécanisme de transcription (ARN polymérase) d'initier la transcription (Figure\(\PageIndex{2}\)). Les nucléosomes peuvent se déplacer pour ouvrir la structure chromosomique afin d'exposer un segment d'ADN, mais ils le font de manière très contrôlée.

    Art Connection

    Les nucléosomes sont décrits comme des structures en forme de roues. Les nucléosomes sont composés d'histones et sont entourés d'ADN. Chaque histone possède une queue qui sort de la roue. Lorsque l'ADN et les queues des histones sont méthylés, les nucléosomes se regroupent étroitement, de sorte qu'il n'y a pas d'ADN libre. Les facteurs de transcription ne peuvent pas se lier et les gènes ne sont pas exprimés. L'acétylation des queues des histones entraîne un tassement plus lâche des nucléosomes. L'ADN libre est exposé entre les nucléosomes, et les facteurs de transcription sont capables de lier les gènes sur cet ADN exposé.
    Figure\(\PageIndex{2}\) : Les nucléosomes peuvent glisser le long de l'ADN. Lorsque les nucléosomes sont rapprochés les uns des autres (en haut), les facteurs de transcription ne peuvent pas se lier et l'expression génique est désactivée. Lorsque les nucléosomes sont très espacés (en bas), l'ADN est exposé. Les facteurs de transcription peuvent se lier, ce qui permet l'expression des gènes. Les modifications des histones et de l'ADN affectent l'espacement des nucléosomes.

    Chez les femelles, l'un des deux chromosomes X est inactivé au cours du développement embryonnaire en raison de modifications épigénétiques de la chromatine. Selon vous, quel impact ces changements auraient-ils sur l'emballage des nucléosomes ?

    La façon dont les protéines histones se déplacent dépend des signaux présents à la fois sur les protéines histones et sur l'ADN. Ces signaux sont des étiquettes ajoutées aux protéines histones et à l'ADN qui indiquent aux histones si une région chromosomique doit être ouverte ou fermée (Figure\(\PageIndex{3}\)) (représente les modifications apportées aux protéines histones et à l'ADN). Ces balises ne sont pas permanentes, mais peuvent être ajoutées ou supprimées selon les besoins. Il s'agit de modifications chimiques (groupes phosphate, méthyle ou acétyle) qui sont liées à des acides aminés spécifiques de la protéine ou aux nucléotides de l'ADN. Les étiquettes ne modifient pas la séquence de base de l'ADN, mais elles modifient l'étroitesse de l'ADN autour des protéines histones. L'ADN est une molécule chargée négativement ; par conséquent, les modifications de la charge de l'histone modifieront l'étroitesse de la molécule d'ADN. Lorsqu'elles ne sont pas modifiées, les protéines histones ont une charge positive importante ; en ajoutant des modifications chimiques telles que des groupes acétyles, la charge devient moins positive.

    La molécule d'ADN elle-même peut également être modifiée. Cela se produit dans des régions très spécifiques appelées îles CpG. Il s'agit d'étirements caractérisés par une fréquence élevée de paires d'ADN dinucléotidiques (CG) de cytosine et de guanine présentes dans les régions promotrices des gènes. Lorsque cette configuration existe, le membre cytosine de la paire peut être méthylé (un groupe méthyle est ajouté). Cette modification modifie la façon dont l'ADN interagit avec les protéines, y compris les protéines histones qui contrôlent l'accès à la région. Les régions d'ADN hautement méthylées (hyperméthylées) avec des histones désacétylées sont étroitement enroulées et inactives sur le plan de la transcription.

    L'illustration montre un chromosome partiellement démêlé et agrandi, révélant des protéines histones enroulées autour de la double hélice de l'ADN. Les histones sont des protéines autour desquelles s'enroule l'ADN pour se compacter et réguler les gènes. La méthylation de l'ADN et la modification chimique des queues des histones sont appelées modifications épigénétiques. Les modifications épigénétiques modifient l'espacement des nucléosomes et modifient l'expression des gènes. Les changements épigénétiques peuvent résulter du développement, in utero ou pendant l'enfance, de substances chimiques présentes dans l'environnement, de médicaments, du vieillissement ou de l'alimentation. Les changements épigénétiques peuvent provoquer le cancer, des maladies auto-immunes, des troubles mentaux et le diabète.
    Figure\(\PageIndex{3}\) : Les protéines histones et les nucléotides d'ADN peuvent être modifiés chimiquement. Les modifications affectent l'espacement des nucléosomes et l'expression des gènes. (source : modification d'un travail par le NIH)

    Ce type de régulation génique est appelé régulation épigénétique. L'épigénétique signifie « autour de la génétique ». Les modifications qui se produisent dans les protéines histones et l'ADN ne modifient pas la séquence nucléotidique et ne sont pas permanentes. Ces changements sont plutôt temporaires (bien qu'ils persistent souvent pendant de multiples cycles de division cellulaire) et modifient la structure chromosomique (ouverte ou fermée) selon les besoins. Un gène peut être activé ou désactivé en fonction de sa localisation et des modifications apportées aux protéines histones et à l'ADN. Si un gène doit être transcrit, les protéines histones et l'ADN sont modifiés autour de la région chromosomique codant ce gène. Cela ouvre la région chromosomique pour permettre à l'ARN polymérase et à d'autres protéines, appelées facteurs de transcription, d'accéder à la région promotrice, située juste en amont du gène, et d'initier la transcription. Si un gène doit rester désactivé ou réduit au silence, les protéines histones et l'ADN présentent différentes modifications qui signalent une configuration chromosomique fermée. Dans cette configuration fermée, l'ARN polymérase et les facteurs de transcription n'ont pas accès à l'ADN et la transcription ne peut pas avoir lieu (Figure\(\PageIndex{3}\)).

    Lien vers l'apprentissage

    Regardez cette vidéo qui décrit comment la régulation épigénétique contrôle l'expression des gènes.

    Résumé

    Dans les cellules eucaryotes, la première étape du contrôle de l'expression génique se produit au niveau épigénétique. Les mécanismes épigénétiques contrôlent l'accès à la région chromosomique pour permettre l'activation ou la désactivation des gènes. Ces mécanismes contrôlent la façon dont l'ADN est emballé dans le noyau en régulant l'étanchéité de l'ADN autour des protéines histones. L'ajout ou la suppression de modifications chimiques (ou indicateurs) aux protéines histones ou aux signaux d'ADN envoyés à la cellule pour ouvrir ou fermer une région chromosomique. Par conséquent, les cellules eucaryotes peuvent contrôler l'expression d'un gène en contrôlant l'accessibilité aux facteurs de transcription et la liaison de l'ARN polymérase pour initier la transcription.

    Connexions artistiques

    Figure\(\PageIndex{2}\) : Chez les femmes, l'un des deux chromosomes X est inactivé au cours du développement embryonnaire en raison de modifications épigénétiques de la chromatine. Selon vous, quel impact ces changements auraient-ils sur l'emballage des nucléosomes ?

    Réponse

    Les nucléosomes seraient plus serrés les uns contre les autres.

    Lexique

    facteur de transcription
    protéine qui se lie à l'ADN au niveau de la région promotrice ou stimulatrice et qui influence la transcription d'un gène