Acides nucléiques
Chromatine
Nucléosome : unité de base

Morphologie du nucléosome

1. Chez les eucaryotes, le nucléosome, parfois appelé particule de cœur (core particle), constitue l’unité de base d'organisation de la chromatine (Structure and dynamic properties of nucleosome core particles 2007).

a. L'ADN forme un complexe canonique de 147 paires de base, avec des variations possibles selon les conditions expérimentales et les espèces, par exemple 167 chez le poulet.

b. Cet ADN s'enroule autour de huit histones, i.e. deux copies de chacune des histones H2A, H2B, H3 et H4.

L'ADN est enroulé d'environ 1,65 à 1,7 tour en super hélice gauche.

Remarque : Certaines variantes de l’histone H2A possèdent des fonctions spécialisées comme l'histone H2AX dont la phosphorylation pour former γH2AX est une marque chromatinienne centrale de la réponse aux dommages de l’ADN.

c. Les nucléosomes emballent l'ADN dans une structure compacte et dense qui limite l’accessibilité de l’ADN tout en permettant une régulation dynamique de cette accessibilité.

2. Le nucléosome forme un cylindre de 10 à 11 nm de diamètre et de 5,5 nm de haut pour une masse de 205 kDa, l’ADN et les histones contribuant chacun approximativement à la moitié de cette masse.

• L’empilement linéaire de ces nucléosomes reliés par l’ADN de liaison constitue la fibre de chromatine de 10 nm, souvent décrite comme une organisation en collier de perles.
• L’association de l’histone H1 au nucléosome forme le chromatosome, qui stabilise l’entrée et la sortie de l’ADN et favorise la compaction vers des niveaux d’organisation supérieurs de la chromatine.

3. Ces nucléosomes sont reliés par de l'ADN de liaison (linker DNA), dont la longueur varie typiquement entre ~10 et 80 pb selon le type cellulaire et l’état chromatinien.

a. Le modèle de base antérieur (" beads and string model ") montrait que les nucléosomes formaient un " collier de perles " régulier de 11 nm de diamètre (Folding of electrostatically charged beads-on-a-string as an experimental realization of a theoretical model in polymer science 2009).

Ce modèle était basé sur l'observation de la chromatine en interphase, souvent après traitements expérimentaux induisant un déploiement partiel de la chromatine.

b. Toutefois, les études récentes révèlent une organisation plus hétérogène des réseaux et divers modes de repliement, correspondant à un polymère chromatinien dynamique, qui reflète un continuum d’états fonctionnels caractérisés par des différences dans les modifications post-traductionnelles des histones, constituant le support du code des histones (Topological polymorphism of nucleosome fibers and folding of chromatin 2021 et Beads on a string-nucleosome array arrangements and folding of the chromatin fiber 2024).

Interactions entre ADN et histones de coeur

Nature des interactions

Le nucléosome contient plus de 120 interactions directes protéine-ADN et plusieurs centaines d’interactions impliquant des molécules d'eau hautement structurées contribuant à l’interface ADN-histones.

1. Ces interactions sont principalement électrostatiques (Electrostatic interactions in nucleosome and higher-order structures are regulated by protonation state of histone ionizable residue 2024).

a. L’ADN est fortement chargé négativement grâce aux groupes phosphate de son squelette.

Les histones, riches en acides aminés basiques, essentiellement lysine et arginine, mais aussi histidine, contribuant de manière plus variable selon le pH, apportent des charges positives qui neutralisent et stabilisent l’ADN enroulé.

b. Toutefois, cette neutralisation est partielle car le nucléosome est encore chargé négativement, ce qui influence les interactions inter-nucléosomiques et la compaction.

2. Des liaisons hydrogène se forment entre les groupements polaires des histones et ceux de l’ADN (squelette et bases).

Elles participent à l’orientation précise de l’ADN sur le cœur histonique sans reconnaissance stricte de la séquence nucléotidique, mais via des propriétés structurales de l’ADN, notamment la géométrie du sillon mineur ( sites des interactions).

3. Des interactions hydrophobes et de van der Waals sur certaines chaînes latérales entrent en contact avec les désoxyriboses et les bases azotées, stabilisant l’empilement local et contribuant à l’ajustement fin de la structure ( interactions stabilisatrices de la double hélice).

Sites des interactions

Les interactions entre l’ADN et l’octamère des histones ne sont pas uniformes, mais elles se concentrent en points de liaison répétés et spécifiques, organisés de manière périodique le long de la double hélice enroulée.

1. Les sites α1α1 résultent de la coopération des hélices α1 de deux histones adjacentes ( structure des histones).

• Ces hélices créent une surface structurée qui expose des acides aminés basiques (lysine et arginine) dont les chaînes latérales s’orientent vers l’ADN et établissent des liaisons électrostatiques avec le squelette phosphate et parfois des liaisons hydrogène.
• Ces contacts se produisent préférentiellement dans le petit sillon de l’ADN, où les charges négatives sont accessibles à l’insertion des groupements basiques.

2. Les sites L1L2 correspondent aux boucles L1 et L2 des histones qui contiennent des résidus basiques, en particulier des arginines (Proteins and Proteoforms: New Separation Challenges 2018).

a. La chaîne guanidinium latérale de l’arginine, i.e. $\ce{NH−C(=NH)−NH2}$ s’insère profondément dans le sillon mineur (minor groove) de l'ADN, où elle neutralise localement les charges négatives du squelette phosphate et stabilise le positionnement de l’ADN.

• Le guanidinium est chargé positivement à pH physiologique.
  Sa charge est délocalisée sur les trois atomes d’azote, ce qui permet des interactions électrostatiques fortes et des liaisons hydrogène multiples.
• En outre, sa planarité lui permet de s’adapter parfaitement aux contraintes géométriques du sillon mineur sans perturber l’empilement des bases.

b. Ce mécanisme fournit des points d’ancrage particulièrement forts, qui expliquent la rigidité de l’enroulement de l’ADN autour du cœur nucléosomique.

Remarque : la lysine, elle, possède un groupe ($\ce{-NH3+}$) présentant une distribution de charge plus localisée et une flexibilité conformationnelle différente.

Elle peut former des interactions électrostatiques fortes avec les phosphates de l’ADN et des liaisons hydrogène avec les oxygènes du squelette phosphate ou des bases.

3. Au total, environ 14 sites d’interaction majeurs sont observés, 7 de chaque côté, correspondant à la périodicité de l’hélice d’ADN (≈ 10 pb par tour) et à l’alternance d’exposition du sillon mineur vers l’octamère.

• À chaque demi-tour où le petit sillon est orienté vers l’octamère, une arginine issue d’un site L1L2 (et parfois α1α1) s’insère profondément dans le sillon mineur de l’ADN, assurant des points d’ancrage particulièrement stables.
• Ces insertions neutralisent localement les charges phosphates et contribuent fortement à la courbure de l’ADN autour du cœur histonique.

4. L’ancrage de l’ADN sur ces sites impose une contrainte mécanique, i.e. l’ADN est courbé de façon non uniforme et présente des défauts locaux de torsion.

• En solution, l’ADN B libre a une hélice de ~10,5 pb par tour.
• Dans le nucléosome, la torsion moyenne est réduite à ~10,2 pb par tour, avec des variations locales allant de 9,4 à 10,9 pb par tour.
• Ces contraintes topologiques jouent un rôle essentiel dans la dynamique de la chromatine et conditionnent l’accessibilité de l’ADN aux facteurs de transcription, de réplication ou de réparation en modulant localement la flexibilité et la stabilité de l’ADN nucléosomique.

Queues N-terminales des histones

1. Les queues N-terminales des histones, très riches en lysines et arginines, renforcent encore la fixation en créant des ponts supplémentaires avec l’ADN ou entre nucléosomes voisins (The role of histone tails in nucleosome stability: An electrostatic perspective 2020).

Ces interactions ne sont pas fixes mais modulables et contribuent à renforcer la stabilité globale du nucléosome, à influencer la compaction de la chromatine et à favoriser les interactions entre nucléosomes voisins.

• Leur interaction dynamique avec l’ADN crée des contacts supplémentaires principalement électrostatiques.
• Ces interactions ne sont pas fixes mais modulables et contribuent à renforcer la stabilité globale du nucléosome, à influencer la compaction de la chromatine et à favoriser les interactions entre nucléosomes voisins.

b. Par contre, la queue N-terminale de l’histone H4 a une région d’acides aminés très basiques (16-25), qui, dans la structure cristalline, forme une interaction avec la région de surface hautement acide d’un dimère H2A-H2B d’un autre nucléosome, appelée patch acide (Effect of histone H4 tail on nucleosome stability and internucleosomal interactions 2021).

• Cette interaction est considérée comme importante pour la formation de structures d’ordre supérieur de la chromatine et pour la stabilisation des interactions inter-nucléosomiques.
• Des modifications post-traductionnelles, comme l’acétylation des lysines de la queue H4, peuvent altérer ces interactions en neutralisant les charges positives des lysines et en diminuant les interactions avec la surface acide des nucléosomes voisins, ce qui favorise une chromatine plus ouverte.

2. Ces queues ont plusieurs rôles.

• Elles complètent les interactions structurales des sites α1α1 et L1L2.
• Elles participent à la stabilité globale du nucléosome, à la flexibilité de l’ADN et à la formation de réseaux inter-nucléosomiques, en modulant les interactions électrostatiques et en constituant le support principal des modifications post-traductionnelles impliquées dans la régulation épigénétique ( code des histones).

Chromatosomes et fibres de 30 nm