En microscopie électronique, le nucléole apparaît comme une structure arrondie et fortement dense, en raison de la concentration élevée d’ARN ribosomiques en cours de transcription et de protéines ribosomiques.
Nucléole
(Figure : vetopsy.fr)
Il est généralement entouré d’hétérochromatine périnucléolaire, qui participe à son organisation spatiale au sein du noyau.
1. Sa taille est variable et dépend directement de l’intensité de la synthèse protéique de la cellule.
Une activité ribosomique élevée s’accompagne d’une augmentation du volume nucléolaire.
2. Le nombre de nucléoles par noyau varie selon le type cellulaire et l’état physiologique.
Les cellules peuvent ne présenter aucun nucléole ou en posséder plusieurs par noyau, généralement jusqu’à six ou sept.
Ils se désassemblent pendant la mitose et se reforment progressivement en début de phase G1, phase de reprise de l’activité transcriptionnelle et de croissance cellulaire.
Cette organisation repose sur les interactions multivalentes entre ARNr naissants, protéines ribosomiques et protéines nucléolaires intrinsèquement désordonnées.
Cette séparation de phase contribue à la compartimentation fonctionnelle interne du nucléole, expliquant l’organisation concentrique en centres fibrillaires, composant fibrillaire dense et composant granulaire.
1. Les centres fibrillaires (FC : Fibrillar Center) correspondent aux régions contenant les copies d’ADNr, au sein desquelles la transcription par l’ARN polymérase I s’effectue principalement à leur périphérie, à la jonction entre le centre fibrillaire (FC) et le composant fibrillaire dense (DFC).
a. Les ADNr des mammifères comportent de multiples répétitions séparées par de longs espaces intergéniques (IGS ou InterGenic Spacer) d’environ 30 kb, la kilobase, 1000 paires de bases, et des régions codantes pour les pré-ARNr d’environ 14 kb ( transcription des ADNr).
b. Cette transcription dépend des besoins en synthèse protéique et seule, environ la moitié des centaines de copies des répétitions d'ADNr sont transcriptionnellement actives.
Les pré-ARNr y subissent des clivages et des modifications, conduisant à la formation des ARNr 18S, 5.8S et 28S qui seront ensuite incorporés dans les sous-unités ribosomiques ( maturation des pré-ARNr).
Remarque essentielle : l'ARNr 5S est transcrit indépendamment par l'ARN polymérase III dans le nucléoplasme, en dehors du nucléole et n'est donc pas synthétisé dans le DFC.
Après sa transcription, l'ARNr 5S s'associe à des protéines telles que uL5 et uL18 pour former le complexe 5S RNP, qui est ensuite importé dans le nucléole et incorporé aux particules pré-60S.
3. Le composant granulaire (GC) contient des ARNr déjà modifiés, associés aux protéines ribosomiques, et correspond au site d’assemblage des sous-unités ribosomiques en cours de maturation.
Cette zone présente une organisation hétérogène et territorialisée, avec des régions riches en particules ribosomiques en cours d’assemblage et d’autres zones moins denses.
Structure du nucléole d'un eucaryote
(Figure : vetopsy.fr d'après Muñoz-Velasco et coll)
Les gènes d’ARN ribosomiques (ADNr) sont regroupés uniquement sur ces chromosomes chez l’humain.
Séquences des chromosomes acrocentriques
(Figure : vetopsy.fr d'après Ramos et coll)
a. Cependant, toutes ces NOR ne sont pas simultanément actives :
certaines sont transcriptionnellement actives (chromatine ouverte) et participent à la formation du nucléole.
d’autres restent silencieuses sous forme de chromatine condensée (hétérochromatine).
b. Si plusieurs NOR actives sont proches dans le noyau, elles peuvent fusionner dans un même nucléole, de sorte que plusieurs chromosomes porteurs de NOR contribuent à la formation d’un nucléole unique.
Par exemple, certaines cellules peuvent présenter des NOR actives sur les chromosomes 13, 15 et 21, tandis que celles des chromosomes 14 et 22 restent silencieuses.
c. Ainsi, une cellule humaine possède généralement un nombre de nucléoles inférieur au nombre total de NOR, car plusieurs NOR actives peuvent s’associer pour former un même nucléole.
Localisation des NOR et cycle nucléolaire (cellules humaines)
(Figure : vetopsy.fr d'après MacStay)
3. Les NOR contiennent de nombreuses répétitions en tandem (tandem repeat) des gènes d’ADNr organisées en répétitions successives.
Ces gènes sont transcrits par l’ARN polymérase I et produisent un précurseur ribosomique unique (pré-ARNr 47S), qui est ensuite maturé en ARNr 18S, 28S et 5.8S, constituants essentiels des ribosomes eucaryotes.
Cette activité est à l’origine de la formation du nucléole, qui se constitue autour des NOR après la reconstitution du noyau à la fin de la mitose.
Les NOR représentent le support chromosomique de la biogenèse ribosomique, constituant les régions du génome à partir desquelles s’organise la structure et l’activité du nucléole.
Organisation chromatinienne associée au nucléole (NAD)
Au-delà des régions organisatrices nucléolaires (NOR), le nucléole est également associé à des régions chromatiniennes appelées Nucleolus-Associated Domains (NAD).
Contacts génomiques avec le nucléole
(Figure : vetopsy.fr d'après Gupta et Santoro)
Ces régions chromosomiques appartiennent souvent à une chromatine faiblement active ou transcriptionnellement réprimée.
Ces domaines sont fréquemment enrichis en séquences répétées, régions péricentromériques et gènes peu exprimés, caractéristiques d’une chromatine condensée.
Dans les cellules de mammifères, certaines régions centromériques et péricentromériques s’associent fréquemment au nucléole, révélant une organisation spatiale non aléatoire des chromosomes dans le noyau.
2. Les NAD participent à l’organisation spatiale du génome dans le noyau, en contribuant à la répartition des chromosomes et des domaines chromatiniens autour du nucléole et en coordination avec les domaines associés à la lamina nucléaire (LAD), également constitués majoritairement d’hétérochromatine.
Composition moléculaire du nucléole
Le nucléole est un domaine nucléaire particulièrement riche en ARN et en protéines impliqués dans la biogenèse ribosomique.
Il contient environ 5 à 15 % d’ARN, principalement ribosomal (ARNr), ainsi qu’une proportion élevée de protéines associées à la transcription, à la maturation et à l’assemblage des ribosomes.
Sa composition reflète la spécialisation du nucléole comme centre de production ribosomique, tout en expliquant sa capacité à intervenir dans d’autres processus régulateurs liés à l’activité cellulaire.
1. Le nucléole contient plusieurs centaines de protéines, qui ne sont pas statiques, mais dont la localisation dépend de l’activité transcriptionnelle et du cycle cellulaire.
Les plus représentatives appartiennent aux catégories suivantes :
des facteurs de transcription des ADNr, comme l'ARN polymérase I et ses cofacteurs.
des protéines d’organisation nucléolaire, notamment la nucléophosmine (NPM1) et la nucléoline (NCL), impliquées dans la biogenèse des ribosomes, l’assemblage des particules pré-ribosomiques et la dynamique structurale du nucléole,
des protéines ribosomiques, synthétisées dans le cytoplasme et importées dans le noyau, qui s’associent aux ARNr pour former les sous-unités ribosomiques,
des ARN hélicases et chaperons, qui facilitent le repliement des ARNr, les remaniements des particules pré-ribosomiques et l'incorporation progressive des protéines ribosomiques (assemblage des sous-unités pré-ribosomiques)
2. Les ARN présents dans le nucléole comprennent :
certains ARN non codants régulateurs comme les ARN longs non codants (lncRNA) nucléolaires, impliqués dans la régulation de la transcription des gènes ribosomiques et de l’organisation nucléolaire.
Fonctions du nucléole
Le nucléole assure principalement la biogenèse des ribosomes, mais son rôle dépasse largement la seule production ribosomique.
Il constitue un centre d’intégration fonctionnelle impliqué dans l’organisation génomique, la régulation du cycle cellulaire et la réponse aux stress cellulaires.
Cette activité détermine directement la capacité de synthèse protéique de la cellule et conditionne sa croissance et sa prolifération, notamment durant la phase G1, caractérisée par une augmentation de la biogenèse ribosomique.
Diagramme schématique de la biogenèse ribosomique
(Figure : vetopsy.fr d'après Li et Wang)
Remarque : les NAD constituent, avec les LAD (Lamina-Associated Domains) associés à la lamina nucléaire, deux systèmes complémentaires d’ancrage de l’hétérochromatine, contribuant à la compartimentation fonctionnelle et à l’organisation spatiale du génome dans le noyau.
en participant à des modifications post-traductionnelles, telles que la phosphorylation et la SUMOylation, qui modulent l’activité, la stabilité ou la localisation de protéines comme la nucléophosmine (NPM1), p53 ou la protéine PML (ProMyelocytic Leukemia),
en adaptant la biogenèse ribosomique et la synthèse protéique en fonction de l’état métabolique et des signaux de prolifération cellulaire, notamment via la régulation de l’activité de l’ARN polymérase I et des facteurs associés comme UBF et TIF-IA.
5. Le nucléole constitue un capteur sensible aux perturbations cellulaires et relie directement l’activité nucléolaire au contrôle de la prolifération et à l’induction de réponses apoptotiques (p53 -Dependent and -Independent Nucleolar Stress Responses 2012).
Un stress affectant la transcription ribosomique ou l’intégrité nucléolaire peut entraîner une activation de voies de surveillance, notamment via la stabilisation de p53.
En retour, p53 peut inhiber la transcription par l’ARN polymérase I en perturbant les interactions nécessaires à l’initiation transcriptionnelle, réduisant ainsi la production ribosomique.
Stress nucléolaire
(Figure : vetopsy.fr d'après Olausson et coll)
6. Le nucléole est également ciblé par de nombreux virus, dont certaines protéines ou ARN transitent par ce compartiment pour faciliter leur réplication ou leur exportation.
transcription des ADNr).
