Acides nucléiques
Chromatine : chromosomes : centromère
Structure générale

Structure générale du centromère

La structure du centromère comprend plusieurs entités interdépendantes, constituant un système coordonné essentiel à la ségrégation des chromosomes.

1. L’ADN centromérique et ses satellites forment une chromatine épigénétiquement déterminée, organisée en répétitions d’unités α-satellites caractéristiques, qui définissent la localisation et l’identité fonctionnelle du centromère.

2. Les nucléosomes CENP-A, dans lesquels l’histone CENP-A remplace l’histone H3 canonique, marquent les régions centromériques actives et servent de repères structuraux pour l’assemblage du réseau protéique centromérique.

3. Les protéines CENP (CENtromere Proteins) forment le socle d’assemblage du CCAN (Constitutive Centromere-Associated Network), un complexe stable de seize sous-unités assurant la cohésion interne du centromère et son ancrage au kinétochore, structure multiprotéique temporairement associée aux microtubules du fuseau mitotique.

Les protéines CENP sont regroupées dans un tableau.

Groupe	Protéine(s)	Localisation principale	Rôle / Fonction biologique	Moment du cycle cellulaire
Variante histonique	CENP-A	Chromatine centromérique (nucléosome spécifique)	Variante d'histone H3 (Identité du centromère) Plateforme d'assemblage du CCAN	Présente en continu, incorporée en fin de mitose/G1
Protéine structurale liée à l'ADN	CENP-B	ADN satellite α (CENP-B box)	Liaison directe à l'ADN centromérique Organisation structure locale Facilite recrutement de CENP-C	Constitutive (présente tout au long du cycle)
Réseau constitutif (CCAN)	CENP-C	Noyau du CCAN Liaison à CENP-A	Pont principal entre nucléosome CENP-A et kinétochore externe (réseau KMN)	Constitutive
	CENP-L CENP-N	Complexe LN	Liaison directe au nucléosome CENP-A (via CENP-N) Stabilisation du CCAN	Constitutive
	CENP-T CENP-W CENP-S CENP-X	Complexe TWSX	Interaction directe avec l'ADN Recrutement du complexe NDC80 (liaison microtubules).	Constitutive (mais activée en mitose)
	CENP-H CENP-I CENP-K CENP-M, CENP-G	Complexe HIKM + CENP-G	Stabilisation de la chromatine centromérique Interface avec CENP-T/W/S/X	Constitutive
	CENP-O CENP-P CENP-Q CENP-R CENP-U	Complexe OPQUR	Soutien mécanique Ancrage de la base du kinétochore interne	Constitutive
Protéines dynamiques du kinétochore externe	CENP-E	Kinétochore externe (corona fibreuse)	Kinésine-7 motrice assurant capture des microtubules, congression et alignement des chromosomes	Recrutée en prométaphase Détachée en anaphase
	CENP-F	Kinétochore externe (corona fibreuse)	Interaction avec dynéine et coiffe des microtubules Rôle dans la progression mitotique	Accumulation en G2 Disparition en télophase
Protéines associées au centrosome	CENP-J (CPAP)	Centrosome (centrioles)	Duplication et élongation des centrioles Ciliogenèse	Surtout en phase S et G2, puis au cours de la mitose

4. L’ensemble CENP-A/CCAN/kinétochore constitue une plateforme fonctionnelle permettant :

• l'assemblage du kinétochore et l'établissement d'attachements end-on stables avec les microtubules du fuseau mitotique, indispensables à la ségrégation fidèle des chromosomes,
• la transmission des forces générées lors de la ségrégation des chromosomes,
• le point de contrôle du fuseau (SAC) ou Spindle Assembly Checkpoint, garantissant la répartition fidèle du matériel génétique entre les cellules filles.

Organisation chromatinienne du domaine centromérique

Chromatine centromérique

La chromatine centromérique correspond à une région chromosomique spécialisée, essentielle à la formation du kinétochore et à la ségrégation fidèle des chromosomes lors de la division cellulaire.

1. La chromatine centromérique est dans un état particulier, intermédiaire entre euchromatine et hétérochromatine, permettant (Defining a core configuration for human centromeres during mitosis 2023) :

• le maintien de l’identité centromérique grâce aux nucléosomes contenant la variante d’histone CENP-A,
• le recrutement et l’ancrage des protéines du CCAN (Constitutive Centromere-Associated Network),
• l’assemblage du kinétochore, structure assurant l’attachement des microtubules du fuseau,
• la cohésion et la stabilité de la région centromérique tout au long du cycle cellulaire,
• le recrutement des cohésines qui assurent la cohésion des chromatides sœurs après la réplication de l'ADN,
• la coordination de la séparation des chromatides sœurs pendant l'anaphase.

2. L'ADN est enrichie en séquences d'ADN répétées en tandem connues sous le nom de satellites alpha ou αSat (De novo formation and epigenetic maintenance of centromere chromatin 2020).

Ces séquences α-satellite sont le " matériau brut " de l'ADN du centromère ( séquences satellites dans l'ADN répétitif)

a. Les satellites alpha (αSat) sont composés d'unités de répétition riches en adénine (A) et en thymine (T) d'environ 171 paires de bases (pb) qui peuvent être organisées (Alpha satellite DNA biology: Finding function in the recesses of the genome 2019) :

• en unités répétées d'ordre supérieur (HOR), constituées de blocs de monomères de 171 pb répétés en tandem sur de longues distances, pouvant atteindre plusieurs mégabases,
• en réseaux de monomères divergents, moins organisés et dépourvus de structure HOR.

b. Dans les centromères humains, les régions HOR forment généralement le cœur du domaine centromérique actif, tandis que des monomères αSat plus divergents peuvent se trouver en périphérie de ces blocs.

2. Une fraction seulement de l’ADN α-satellite est organisée en nucléosomes contenant CENP-A, qui remplacent l'histone H3 canonique.

• Ces nucléosomes marquent les régions centromériques actives, tandis qu’une partie de l’ADN α-satellite peut rester associée à des nucléosomes H3 " classiques " ou à d’autres formes de chromatine.
• Autrement dit, chez l'homme, tous les nucléosomes CENP-A sont assemblés sur de l’ADN α-satellite, mais tout l’ADN α-satellite n’est pas nécessairement associé à des nucléosomes CENP-A.

3. Les protéines du kinétochore ne s’associent qu’à un sous-ensemble de ces unités HOR, généralement au sein de la plus grande matrice HOR sur chaque chromosome, appelée matrice centromérique active (Epigenetic Patterns in a Complete Human Genome 2022).

4. Environ la moitié des monomères d’ADN α-satellite contiennent une séquence spécifique d’environ 17 pb, appelée boîte CENP-B, qui constitue le site de liaison de la protéine CENP-B ( CENP-B).

CENP-B stabilise l’organisation centromérique :

• en reliant l'ADN α-satellite à la chromatine centromérique,
• en favorisant le recrutement ou la stabilisation de plusieurs constituants du CCAN (Constitutive Centromere-Associated Network), notamment CENP-C.

Hétérochromatine péricentromérique

La chromatine péricentromérique correspond aux régions chromosomiques situées de part et d’autre du centromère actif, formée généralement d'une hétérochromatine constitutive riche en séquences répétées, et participe à :

• la stabilité structurale du centromère,
• la cohésion des chromatides sœurs,
• l’organisation de domaines d’hétérochromatine dans le génome.

1. Les réseaux HOR d'αSat actifs sont ainsi flanqués de régions péricentromériques inactives, qui comprennent :

• des réseaux de monomères αSat divergents dépourvus de HOR (The Evolutionary Origin of Man Can Be Traced in the Layers of Defunct Ancestral Alpha Satellites Flanking the Active Centromeres of Human Chromosomes 2009),
• des éléments transposables (transposons),
• les duplications segmentaires, pouvant parfois inclure des gènes exprimés (Using population admixture to help complete maps of the human genome 2013),
• différentes familles de satellites non αSat, dont les fonctions restent encore mal comprises.

2. Les répétitions satellitaires constituent une part importante de l'ADN centromérique et péricentromérique.

Par exemple, dans le centromère complet du chromosome 13 humain, elles représentent environ 6,2 % de la séquence, les satellites α (αSat) constituant le composant le plus abondant (2,8 %).

Évolution des domaines centromériques

Les centromères humains présentent une organisation dynamique résultant de l'évolution continue de leurs séquences répétées ( ADN répétitif).

1. Plus précisément, des variantes répétitives distinctes apparaissent dans chaque région centromérique et se développent au cours du temps, par des mécanismes qui ressemblent à des duplications successives en tandem, et forment des domaines d’unités répétées d’ordre supérieur (HOR) pouvant s’étendre sur plusieurs centaines de kilobases à plusieurs mégabases selon les chromosomes.

Les plus récentes sont centrales, tandis que les séquences flanquantes plus anciennes rétrécissent et divergent au fil du temps, produisant une organisation stratifiée du centromère où des couches successives d’αSat reflètent différentes étapes évolutives du domaine centromérique.

2. Les répétitions les plus récemment amplifiées au sein de chaque réseau αSat sont plus susceptibles d'être associées aux nucléosomes contenant CENP-A, la variante histonique H3 centromérique, et constituent généralement le cœur de la matrice centromérique active identifiée grâce aux assemblages génomiques complets du consortium T2T.

• Le Telomere-to-Telomere Consortium (T2T) est un consortium international de recherche consacré à l'obtention de séquences complètes du génome humain, d'une extrémité chromosomique (télomère) à l'autre.
• Il est devenu une référence en génomique en produisant la première séquence humaine véritablement complète, comblant des lacunes qui avaient persisté pendant des décennies dans les versions précédentes du génome de référence.

a. Ces régions coïncident avec des régions d'hypométhylation des dinucléotides CpG (cytosine-phosphate-guanine), méthylation réduite généralement associée à une chromatine plus " accessible ", favorisant la mise en place du centromère fonctionnel et correspondant à une mosaïque dynamique de domaines αSat actifs et inactifs au sein du domaine centromérique.

b. Dans les régions centromériques, la distribution inégale de la méthylation CpG contribue à définir des sous-domaines fonctionnels, séparant la chromatine centromérique active (CENP-A, CCAN) de l'hétérochromatine péricentromérique plus condensée.

CENP-A : variante de l'histone H3
déterminant l'identité centromérique