Le génome humain contient plus de 3 milliards de paires de bases ou de nucléotides. Ces nucléotides, qui sont disposés selon une séquence linéaire le long de l’ADN (acide désoxyribonucléique), codent pour chaque protéine et trait génétique du corps humain. Ces informations sont contenues dans environ 20 000 gènes qui, de manière surprenante, ne représentent qu’une petite fraction (environ 1,5%) de l’ADN total. Le reste est constitué de séquences non codantes. L’intégrité de la séquence génétique est essentielle au fonctionnement normal des cellules et cela est mis en évidence lorsque des anomalies génétiques ne sont pas détectées par des mécanismes de réparation génétiques intrinsèques et donnent lieu à des protéines dysfonctionnelles et à divers états pathologiques.
Dans le noyau d’interphase, les chromosomes sont difficiles à distinguer les uns des autres. Ils n’en occupent pas moins un espace discret à l’intérieur d’un noyau – ce qu’on appelle le territoire chromosomique (les frontières des territoires chromosomiques sont suggérées sous forme de lignes pointillées rouges sur la figure A). L’euchromatine tachée plus claire (transcriptionnellement active) et les taches d’hétérochromatine plus foncée (transcriptionnellement silencieuse) sont, en revanche, faciles à visualiser. Au cours de la division cellulaire, les territoires chromosomiques se transforment en chromosomes hautement condensés, qui peuvent alors être clairement distingués les uns des autres. Ensemble, les chromosomes mitotiques, visualisés au microscope optique, sont appelés caryotype.
Une série de processus doit donc avoir lieu pour permettre à la cellule d’emballer l’ADN dans les limites du noyau tout en conservant sa capacité à transcrire et dupliquer toute la séquence d’ADN et à maintenir son intégrité. Ceci est réalisé grâce à un processus élaboré de condensation de l’ADN qui voit l’ADN emballé en 46 chromosomes (ou 23 paires de chromosomes) chez l’homme. Le nombre de chromosomes varie d’une espèce à l’autre; par exemple, il y a 40 chromosomes (20 paires) chez la souris, 8 chromosomes (4 paires) chez la mouche des fruits commune et 10 chromosomes (5 paires) chez la plante Arabidopsis thaliana.
Les chromosomes atteignent leur plus haut niveau de condensation au cours de la division cellulaire, ou mitose, où ils acquerront une morphologie discrète à 4 ou 2 bras qui représente un compactage d’environ 10 000 fois. Bien que cette forme mitotique fortement condensée soit devenue la façon la plus courante de représenter les chromosomes, leur structure est significativement différente au cours de l’interphase. Comparés aux chromosomes mitotiques, les chromosomes interphasiques sont moins condensés et occupent tout l’espace nucléaire, ce qui les rend quelque peu difficiles à distinguer.
Tout comme la formation de chromosomes métaphasiques, le compactage nécessaire pour intégrer un ensemble complet de chromosomes d’interphase dans le noyau est réalisé par une série d’événements de pliage, d’emballage et de flexion de l’ADN facilités par les histones, qui sont des protéines nucléaires de base hautement conservées qui permettent le compactage de l’ADN en neutralisant la charge négative de l’ADN. Les histones s’organisent généralement comme un octamère en complexe avec l’ADN pour former le nucléosome. La combinaison des protéines d’ADN et d’histones qui composent le contenu nucléaire est souvent appelée chromatine.
Hétérochromatine vs Euchromatine
Traditionnellement, la chromatine d’interphase est classée comme euchromatine ou hétérochromatine, en fonction de son niveau de compactage. L’euchromatine a une structure moins compacte et est souvent décrite comme une fibre de 11 nm qui a l’apparence de « perles sur une chaîne » où les perles représentent des nucléosomes et la chaîne représente l’ADN. En revanche, l’hétérochromatine est plus compacte et est souvent décrite comme étant composée d’un réseau de nucléosomes condensé en une fibre de 30 nm. Il convient cependant de noter que la fibre de 30 nm n’a jamais été visualisée in vivo, et son existence est discutable.
L’euchromatine a une structure moins compacte, alors que l’hétérochromatine est plus compacte et composée d’un réseau de nucléosomes condensés en une fibre. Ces niveaux de compactage de la chromatine sont illustrés ici dans deux chromosomes (orange et bleu).
Avec l’ADN codant pour l’information génétique de la cellule, la condensation de cette molécule est évidemment plus compliquée que ne peuvent le représenter de simples modèles de fibres à 11 nm ou 30 nm. La machine de transcription nécessite l’accès à l’information génétique tout au long du cycle cellulaire, tandis que la machine de réplication copiera l’ADN pendant la phase S. Cette complexité supplémentaire est évidente dans les différences clés entre l’euchromatine et l’hétérochromatine, ainsi que dans la localisation de la chromatine dans le noyau.
Le fait qu’il existe des mécanismes intrinsèques dans la condensation de l’ADN pour contrôler l’accès à des fins de transcription ou de réplication se reflète dans la présence d’éléments d’ADN répétitifs tels que des séquences satellites, ainsi que d’éléments transposables au sein de l’hétérochromatine, en particulier dans les centromères et télomères hautement condensés. Ces régions, appelées hétérochromatine constitutive, restent condensées tout au long du cycle cellulaire et ne sont pas transcrites activement. L’hétérochromatine facultative, qui peut être déroulée pour former de l’euchromatine, en revanche, est de nature plus dynamique et peut se former et changer en réponse aux signaux cellulaires et à l’activité des gènes. Cette région contient souvent des informations génétiques qui seront transcrites au cours du cycle cellulaire.