Acides nucléiques
Chromatine
Compaction maximale : chromosomes

Les chromosomes correspondent au niveau de compaction le plus élevé de la chromatine, formant des structures d’environ 1400 nm de diamètre.

Vue d'ensemble des chromosomes

1. Pendant l’interphase, phase où la cellule n’est pas en division, l’ADN est sous forme de chromatine décondensée pour permettre les processus cellulaires comme la transcription, la réplication, et la réparation de l’ADN.

Cette chromatine est organisée en territoires chromosomiques à l’intérieur du noyau, mais les chromosomes ne sont pas suffisamment condensés pour apparaître comme des entités distinctes ( territoires chromosomiques).

C’est seulement à partir de la prophase de la mitose (ou de la méiose) que la chromatine commence à se condenser en chromosomes mitotiques visibles, cette condensation atteint son maximum en métaphase ( condensation chromosomique).

2. Les chromatides sœurs sont les deux copies identiques d’un même chromosome, produites lors de la réplication de l’ADN pendant la phase S du cycle cellulaire.

Nombre de chromosomes

Nombre spécifique de chromosomes

Chaque espèce possède un nombre spécifique de chromosomes qui caractérise son caryotype.

Le caryotype correspond à l’ensemble des chromosomes d’une cellule, classés par taille, forme et nombre.

1. Chez l’être humain, le génome nucléaire comprend 46 chromosomes au total, soit 23 paires, 2n chromosomes, qui définissent la diploïdie ( ploïdie) :

• 22 paires d’autosomes identiques dans les deux sexes,
• 1 paire de chromosomes sexuels, i.e. XX chez les femmes, XY chez les hommes.

Remarque : chez de nombreux organismes autres que les mammifères, la détermination du sexe repose sur des systèmes chromosomiques différents, par exemple le système ZW chez les oiseaux (mâle ZZ, femelle ZW), le système XO chez certains insectes (mâle XO, femelle XX), ou encore le système ZO chez les hyménoptères où les femelles sont diploïdes et les mâles haploïdes.

Chez certains organismes, la température ou l’environnement détermine le sexe chez de nombreux reptiles (tortues, crocodiles) ou certains poissons.

2. D’autres espèces présentent des nombres très variables de chromosomes ( List of organisms by chromosome count) :

• 

  la fourmi Myrmecia pilosula n'en contient qu'une paire pour la femelle, et 1 seul chromosome pour le mâle qui est donc haploïde.
• la mouche Drosophila melanogaster, présente 4 paires seulement,
• le chat 38 et le chien 78,
• la fougère Ophioglossum reticulatum, 630 paires.

Remarque : ainsi, des espèces très simples peuvent posséder davantage de chromosomes que des organismes plus complexes, car le nombre chromosomique dépend surtout de l’organisation évolutive du génome et des réarrangements chromosomiques accumulés au cours de l’évolution.

3. Le caryotype est réalisé à partir d’images de chromosomes en métaphase, où ils sont bien condensés et visibles :

• par hybridation in situ en fluorescence (FISH), en recourant à des sondes disposant d'un marqueur fluorescent,
• par séquençage chromosomique.

Ploïdie

La ploïdie définit le nombre d'exemplaires, dans une cellule donnée ou dans les cellules d'un organisme, de jeux complets de chromosomes du génome.

1. Chez la plupart des animaux, la diploïdie est la règle pour les cellules somatiques qui contiennent 2n chromosomes.

• Par contre, les cellules germinales sont haploïdes, i.e. contenant chacune un seul exemplaire de chromosome, i.e. n chromosomes,
• La fécondation rétablit ainsi la diploïdie par l’union des gamètes, chacun apportant n chromosomes (n de l’ovule + n du spermatozoïde).

Remarque : certaines espèces sont haploïdes, comme les mâles des Hyménoptères : abeilles, fourmis, guêpes)…

2. La polyploïdie implique un nombre de chromosomes ≥ 3n.

Très fréquente chez les plantes où elle peut conférer des avantages adaptatifs, notamment par l’augmentation de la taille des cellules et des organes ainsi que par la redondance génétique qui favorise la diversité et l’adaptation évolutive, elle est généralement létale chez les animaux supérieurs.

Anomalies numériques et structurales

1. L'aneuploïdie correspond à une variation du nombre de chromosomes individuels, sans modification du nombre total de jeux complets, et résulte généralement d’erreurs de ségrégation lors de la méiose.

Chez l’homme, la plupart des aneuploïdies sont incompatibles avec le développement embryonnaire, mais certaines sont néanmoins viables, mais associées à des syndromes pathologiques.

a. La monosomie correspond à la perte d’un chromosome, i.e. 2n – 1, comme le syndrome de Turner ou monosomie X…

b. la trisomie marque la présence d’un chromosome supplémentaire, i.e. 2n + 1 comme la plus connue, la trisomie 21 (syndrome de Down).

2. Outre les variations du nombre de chromosomes, le génome peut subir des altérations structurales.

Celles-ci résultent généralement de cassures chromosomiques suivies d’une réparation imparfaite, ou de réarrangements affectant l’architecture du chromosome.

a. Les principales anomalies structurales comprennent :

• les délétions, perte d’un fragment chromosomique, pouvant entraîner la disparition de gènes essentiels comme le syndrome du cri du chat ou la délétion du bras court du chromosome 5 (5p),
• les duplications, répétition d’un segment de chromosome, pouvant modifier le dosage génique comme. la duplication de la région PMP22 (Peripheral myelin protein 22) dans la maladie de Charcot-Marie-Tooth de type 1A,
• les inversions, réintégration d’un fragment chromosomique en orientation inversée, parfois associée à des désordres de la méiose comme l'inversion péricentrique du chromosome 9,
• les translocations, échange de segments entre chromosomes distincts, souvent impliqué dans des cancers comme la translocation t(9;22), i.e. entre le chromosome 9 et 22, formant le chromosome de Philadelphie dans la leucémie myéloïde chronique.

b. Ces modifications peuvent avoir des répercussions variables, allant de l’absence d’effet phénotypique à des perturbations majeures de l’expression génétique, du développement ou de la stabilité cellulaire.

Types de chromosomes

1. Les chromosomes peuvent être classés selon la position du centromère.

a. Les chromosomes métacentriques présentent un centromère situé au centre, formant deux bras de longueur égale.

b. Les chromosomes submétacentriques possèdent un centromère légèrement décalé, ce qui génère :

• un bras court, " p " pour petit,
• un bras long, " q " choisie simplement comme la lettre suivante dans l’alphabet après p, pour désigner le bras long.

Groupe	Chromosomes	Caractéristiques
A	1 - 3	Grands chromosomes métacentriques
B	4 - 5	Grands submétacentriques
C	6 -12 + X	Moyens submétacentriques
D	13 -15	Moyens acrocentriques (avec satellites)
E	16 -18	Petits submétacentriques
F	19 - 20	Petits métacentriques
G	21 - 22 + Y	Petits acrocentriques (avec satellites)

c. Les chromosomes acrocentriques ont un centromère très proche d’une extrémité, avec un bras p très court.

Les gènes d’ARN ribosomiques (ADNr) sont localisés exclusivement sur ces chromosomes acrocentriques, mais plus précisément dans les régions organisatrices nucléolaires (NOR) situées sur les bras courts.

Remarque : les chromosomes télocentriques, qui possèdent un centromère situé à l’extrémité du chromosome et formés pratiquement par un seul bras n'existent pas chez l'homme.

En revanche, chez la souris, la totalité des chromosomes autosomiques présente une organisation télocentrique.

2. Une classification combine la taille, la position du centromère et parfois la présence d’un satellite chromosomique.

Coloration (banding chromosomique)

Le système avec les dénominations p et q a été adopté dans les années 1960, parallèlement au développement des techniques de coloration chromosomique.

1. Le banding chromosomique (coloration en bandes) est un ensemble de techniques de coloration qui font apparaître des bandes spécifiques le long des chromosomes qui permettent :

• de différencier chaque chromosome,
• de repérer des régions spécifiques,
• de détecter des anomalies (délétions, duplications, inversions, translocations…).

Type de banding	Principe	Que met-il en évidence ?
G-banding (bandes G)	Traitement à la trypsine puis coloration au Giemsa	Bandes sombres riches en AT, souvent plus condensées (hétérochromatine)
R-banding (bandes R)	Inversion du G-banding, souvent par chauffage avant coloration	Bandes riches en GC, souvent actives transcriptionnellement
Q-banding	Coloration avec quinacrine (fluorescente)	Similaire aux bandes G mais en fluorescence (moins utilisé)
C-banding	Mise en évidence spécifique de la chromatine centromérique	Permet de visualiser les centromères et certaines régions répétées
T-banding	Met en évidence les télomères	Utilisé pour détecter des pertes télomériques

2. La plus utilisée est la G-banding qui révèle un motif de bandes unique, comparable à un code-barres, reproductible d'un individu à l'autre, ce qui facilite l’identification précise de chaque chromosome ainsi que la localisation d’un gène ou d’une anomalie.

Chaque région est numérotée de manière standardisée, en partant du centromère vers les extrémités du chromosome.

a. Prenons l'exemple du chromosome 15 de l'Homme, 15q11.2, dans lequel :

• 15 : numéro du chromosome,
• q : bras long,
• 1 : région la plus proche du centromère,
• 1 : bande,
• 2 : sous-bande.

Sur la figure ci-contre, bph représente le nombre de bandes par haploïde augmentant avec la résolution, et Mbp, méga (million) paires de bases.

b. On peut citer des exemples de syndromes associés à ces régions :

• le syndrome de l'X fragile, i.e. Xq27.3,
• le syndrome de Prader-Willi ou d’Angelman, anomalies dans la région 15q11–q13,
• le syndrome de DIGeorge, i.e. 22q11.2 deletion syndrome.

Structure des chromosomes