Acides nucléiques
Chromatine
Vue d'ensemble

Vue d'ensemble et rôle général

1. Dans les cellules eucaryotes, la chromatine est un complexe macromoléculaire constitué d’ADN et de protéines, principalement les histones ( nucléoprotéines ou NP).

Chromatine vient du grec " chromos ", couleur, introduit lors des travaux de 1880 de Walther Flemming (1843-1905) en référence à certaines structures nucléaires fixant intensément les colorants basiques comme l’aniline.

Les cellules procaryotes possèdent une organisation fonctionnellement analogue mais non homologue du chromosome appelée génophore, localisé dans la région nucléoïde, dépourvue de nucléosomes et reposant sur des protéines architecturales distinctes (NAPs).

Remarque : toutefois, cette définition peut varier selon les scientifiques.

• Certains considèrent qu’elle se limite à l’ADN et aux histones.
• D'autres y incluent un nombre de protéines nucléaires, i.e. protéines non-histones, qui varient suivant le type de cellule, son développement, son stade du cycle, ou suivant la technologie utilisée pour son extraction.
• Certains chercheurs y ajoutent aussi une fraction d’ARN associé (chromatin-associated RNA), comprenant des ARN naissants (ARNm en cours de transcription) et surtout une grande variété d’ARN non codants qui participent à l’organisation tridimensionnelle de la chromatine et à la régulation épigénétique.

2. Les principales fonctions de la chromatine sont :

• empaqueter l'ADN (2 m pour l'Homme) pour le compacter environ 10⁴ à 10⁵ fois selon l’état cellulaire (interphase vs mitose) pour qu'il puisse tenir dans le noyau : c'est comme si on entreposait 20 km de fil de fer dans une balle de tennis,

Le corps humain contient environ 50 trillions de cellules (un trillion est égal à 1000 milliards), donc 100 trillions de mètres d'ADN par l'homme. Le Soleil est à 150 milliards de mètres de la Terre : notre ADN peut faire plus de 300 fois l'aller-retour ou faire 2,5 millions de fois le tour de la terre (DNA Packaging: Nucleosomes and Chromatin 2008).

• assurer la cohésion et la protection du génome en formant les chromosomes, i.e. en structurant l’ADN sous forme de domaines chromatiniens organisés, ce qui facilite leur ségrégation lors de la mitose et limite les contraintes mécaniques (torsion, étirement, cisaillement),
• contrôle la transcription des gènes, la réplication et la réparation de l’ADN grâce à des mécanismes dynamiques impliquant modifications des histones, remodelage des nucléosomes et organisation 3D du génome.

Chromatine au microscope

La chromatine peut se présenter sous différentes formes au microscope électronique.

1. Des amas de chromatine condensée se trouvent au contact de la lamina nucléaire, constituée d’ADN compacté et d’histones, associée à des protéines non-histones.

Ils sont entourés d'une frange composée :

• de fibrilles de chromatine diffuse, correspondant majoritairement à de l’euchromatine interphasique faiblement compactée, associée à des régions transcriptionnellement actives ou potentiellement actives
• de fibrilles périchromatiniennes, situées à l’interface entre chromatine dense (hétérochromatine) et matrice nucléaire, riches en ADN, en protéines et en ARN en cours de transcription.

2. La chromatine est aussi associée à la périphérie immédiate du nucléole, où elle forme des domaines mêlant ADN condensé, histones et protéines spécifiques ( NAD ou Nucleolus-Associated Domains).

4. Ces différences de compaction reflètent les états fonctionnels distincts de la chromatine :

• euchromatine, relativement ouverte et active,
• hétérochromatine, fortement condensée et généralement silencieuse, incluant des formes constitutives et facultatives associées à des marques épigénétiques distinctes.

Structure dynamique de la chromatine : compaction

La longueur de l'ADN humain est d'environ 2 m par cellule diploïde et comprend environ 6 milliards de paires de bases (pb).

L'ADN du génome est organisé et compacté selon un processus appelé condensation de l'ADN afin de pouvoir se loger dans un noyau de 6 microns de diamètre chez les eucaryotes.

1. L’ADN nu s’enroule d’abord autour de huit histones, i.e. deux copies de chacune des histones, i.e. H2A, H2B, H3 et H4, pour former un nucléosome de 10 nm de diamètre.

a. L'ADN est l’un des polymères les plus chargés des cellules, générant un fort champ électrostatique négatif du fait de la présence des groupes phosphate.

Pour compacter l’ADN, l’auto-répulsion électrostatique entre les segments d’ADN doit être surmontée (Understanding Nucleic Acid–Ion Interactions 2015).

b. L’association de l’ADN autour de l’octamère d’histones chargé positivement contribue à la neutralisation partielle de cette répulsion électrostatique et à la stabilisation du nucléosome.

c. Malgré cette atténuation des charges, le nucléosome maintient toujours un champ électrostatique fort et négatif en raison de la densité de charge de l’ADN enroulé.

Il est important de considérer le rôle essentiel de la nature polyélectrolytique des particules cœur du nucléosome (NCP, Nucleosome Core Particle), i.e. H2A, H2B, H3 et H4, dans la compaction et l’interaction des nucléosomes (Ion counting demonstrates a high electrostatic field generated by the nucleosome 2019 et The role of histone tails in nucleosome stability: An electrostatic perspective 2020).

2. Les nucléosomes, associés à l'ADN de liaison et à l’histone H1, constituent des chromatosomes qui peuvent s’organiser en structures plus compactes historiquement décrites comme des fibres de 30 nm, dont l’existence in vivo est aujourd’hui débattue.

a. Ces unités chromatiniennes forment un polymère chromatinien dynamique qui se replie en différentes structures d’organisation de la chromatine en interphase, allant des boucles chromatiniennes et domaines d’interaction locaux jusqu’aux territoires chromosomiques qui correspondent à l’organisation spatiale globale des chromosomes dans le noyau.

b. Ces structures comprennent notamment :

• les boucles I et II, terminologie issue de modèles morphologiques historiques et aujourd’hui largement remplacée par des descriptions basées sur l’organisation 3D du génome,
• les TAD (Topologically Associating Domain) et les LAD (Lamina-Associated Domains), sur le plan fonctionnel, correspondant à des domaines dynamiques d’interactions chromatiniennes dépendant notamment de la cohésine et de CTCF.

3. Enfin, lors de la mitose, les chromosomes atteignent un état de compaction maximale visible en métaphase.

Niveau	Structure / Domaine	Taille typique	Rôle / Fonction
ADN nu	Double hélice d'ADN	2 nm de diamètre 2 m par cellule	Support génétique
Nucléosome	ADN (147 pb) enroulé Octamère d'histones (H2A, H2B, H3, H4)	10–11 nm	Unité fondamentale de la chromatine ( compaction ×7)
Chromatosome	Nucléosome ADN de liaison Histone H1	~11 nm	Stabilisation de l'ADN de liaison Organisation de la fibre
Fibre de 30 nm	Empilement de chromatosomes Solénoïde ou zig-zag	30 nm de diamètre ~20 cm d'ADN compacté	Modèle historique Existence in vivo débattue Chromatine = polymère dynamique désordonné
Boucle I	Boucles élémentaires attachées à la matrice nucléaire via SMAR	50–200 kb	Terme historique Correspond à unités locales intégrées dans organisation 3D
Boucle II	Regroupement de plusieurs boucles I	0,1 – plusieurs Mb	Concept obsolète Remplacé par TAD/ compartiments chromatiniens
TAD (Topologically Associating Domain)	Domaine d'interactions privilégiées	100 kb – 1 Mb	Domaines dynamiques Dépendance cohésine/CTCF Variabilité cellulaire
LAD (Lamina-Associated Domain)	Domaine fixé à la lamina nucléaire	0,1 – 10 Mb	Domaines périphériques Dépendance activité transcriptionnelle et interactions nucléaires
Chromosome (interphase)	Territoire chromosomique	50 – 250 Mb	Territoires non aléatoires Dépend activité transcriptionnelle et interactions nucléaires
Chromosome mitotique (métaphase)	Chromosome en X	~1 400 nm de diamètre ~10 µm de longueur	Transmission génétique en division cellulaire

Nucléosome : unité de base