Histones et chromatine, contrôle de l'expression des gènes

La substance chimique qui constitue les chromosomes s'appelle la chromatine. C'est un mélange d'ADN et de protéines.
Dans le noyau des cellules eucaryotes, l'ADN est compacté, grâce à son association avec des protéines : les histones. Chaque histone est une protéine, donc sa fabrication est commandée par un gène.
Chez l'humain, chaque noyau contient 1m75 de chromatine, donc, heureusement qu'elle est compactée. De plus, les protéines associées à l'ADN le protègent physiquement. L'ADN serait beaucoup plus fragile sans les histones!
Les histones sont associés en un octamère, qui s'appelle un nucléosome. Un octamère est une association de 8 molécules de même type. Ici, 8 protéines.



Un 5ème type d'histone, le H1, ne fait pas partie du nucléosome mais s'accroche à l'ADN entre 2 nucléosomes.

Il faut imaginer la chromatine comme un "collier de perles". Les perles sont les nucléosomes et le fil est la double hélice d'ADN. Entre 2 nucléosomes, on a une longueur d'ADN de 180-200 pb. Lorsqu'une cellule se suicide (apoptose) elle fabrique des endonucléases, enzymes qui couent l'ADN entre les histones, en fragments de 180 à 200 pb.
On pense quedans certains cancers, les cellules ne peuvent plus actvier la fabrication de ces endonucléases. Et certains médicaments anticancéreux activent l'apoptose.
En fait, le nucléosome est une sorte de cylindre. Autour de cette "bobine" de protéines, s'enroule un bout de "fil" d'ADN, en moyenne long de 146 paires de bases (pb), qui forme 1 tour 3/4. Je dis 146 en moyenne, car cette longueur varie selon les espèces.
Bref, Le "collier de perles" est "régulier"... et super-enroulé.

Les nucléosomes sont eux-mêmes disposés en hélice, c'est à dire que le collier de perles s'enroule sur lui-même, avec 6 nucléosomes par tour. Cette hélice s'enroule sur elle-même en une nouvelle hélice. L'ADN super-compacté est caractéristique de la chromatine inactive, comme nous allons le voir. Cela veut dire que les gènes ne peuvent être transcrits que si la chromatine est décompactée et que les histones sont faciles à enlever, donc, accrochés faiblement!

Pourquoi les histones s'associent-ils à l'ADN?
Ces protéines sont riches en lysine et en arginine, qui sont des acides aminés porteurs de charges positives. Or, les groupes phosphates présents entre chaque nucléotide de l'ADN portent des charges négatives. Il se forme donc très facilement des liaisons ioniques entre histones et ADN. Ils ont une forte affinité.

Depuis longtemps, on sait que l'ADN très compacté (hétérochromatine) est peu ou pas exprimé, car il est peu marqué par l'Uridine tritiée (uridine radioactive).
Marquage à l'uridine radioactive : Si on observe un marquage, c'est que de l'ARN est fabriqué, donc un gène est exprimé là où le marquage est visible.
Et l'on sait que l'ADN décondensé (euchromatine) est "actif". = contient des gènes qui sont exprimés (=transcrits en ARN).

Il existe plusieurs réactions chimiques qui permettent la décompaction de la chromatine. Il s'agit de modifications post-traductionnelles sur les histones.
La plus connue est l'acétylation des H3 et H4.
L'acétylation d'arginines et lysines des histones fait disparaître les charges + . Donc, grâce à l'action d'enzymes spécialisés, les Histone Acetyl Transférases (HAT), les "--NH3+" deviennent "--NH--CH2--CH3" et n'ont plus d'affinité avec l'ADN.
Les HAT sont recrutées par les domaines activateurs des facteurs de transcription. Ainsi, les promoteurs des gènes sont accessibles et ils peuvent être transcrits. Donc, lorsqu'un facteur de transcription devient très présent dans un noyau, l'ADN des gènes-cibles devient plus accessible.
L'acétylation crée une liaison covalente, mais c'est une réaction réversible. D'autres enzymes peuvent catalyser la réaction de désacétylation, qui permet aux nucléosomes de se refixer et de recompacter l'ADN. Ces enzymes sont des Histone Dé-Acétylases = HDAC.
Les HDAC sont recrutées par les domaines répresseurs des facteurs de transcription. En effet, les facteurs de transcription peuvent être "activateurs" ou "répresseurs" selon qu'ils contiennent des domaines AD ou RD.

En résumé, l'euchromatine contient beaucoup d'histones acétylés.


Il se forme des boucles amplificatrices : un gène actif, donc transcrit favorise l'acétylation des gènes situés à côté, dans la même région du chromosome. Donc, l'expression d'un gène favorise l'euchromatinisation locale.
La régulation de la transcription par l'état de condensation de la chromatine est donc un phénomène régional non spécifique d'une séquence cible. Par contre, la régulation par les facteurs de transcription est un phénomène localisé à des gènes qui portent des séquences cibles spécifiques.

Le système de régulation par acétylation/désacétylation d'histones est dynamique, il "suit" le cycle cellulaire.
Exemple : La protéine Rb (rétinoblastome) se fixe aufacteur de transcription E2F. C'est un oncogène, c'est à dire que si elle est mutée, cela favorise la cancérisation des cellules.
Normalement, Rb liée à E2F forme un complexe qui empêche (réprime) la transcription de certains gènes qui ne doivent s'exprimer que pendant la phase S. Ainsi, pendant la phase S, Rb est phosphorylée, et cela l'empêche de former ce complexe. Les gènes en question peuvent donc être transcrits normalement.
Puis, lorsque Rb est déphosphorylée, le complexe Rb-E2F se forme et recrute des HDAC, qui vont condenser la chromatine. Les gènes-cibles ne sont plus exprimés.
Lorsque Rb est mutée, elle ne peut jamais se lier au facteur E2F. La phase S est alors constityutivement dérégulée, les gènes de la phase S s'expriment... Le cycle cellulaire est très perturbé.


Autres modifications des histones :

L'acétylation / désacétylation n'est pas le seul mode de régulation chromatinienne, même s'il est très important. On en connait d'autres, et on risque d'en découvrir encore à l'avenir...

Par exemple, on a découvert d'autres "modifications post-traductionnelles", notamment sur l'histone H3. La méthylation, la phosphorylation, l'ubiquitination. Ces réactions sont aussi effectuées grâce à des enzymes particulières, sur différents acides aminés.
La phosphorylation de sérines, par exemple, réduit l'affinité de l'ADN pour l'histone. Donc, si les sérines sont phosphorylées, l'ADN se décompacte, et l'expression des gènes est facilitée.
Les histones sont la cible de plusieurs types de modification covalentes réversibles.

Variants d'histones : Il existe des histones "de rechange", ce sont les variants d'histones. Ils s'associent à l'ADN à la place des histones "classiques" pendant la réplication ou pendant l'interphase, selon les cas. Ce sont presque les mêmes, ils remplacent l'original, mais cela a un rôle précis à cause des légères différences de structure.
- Les variants de H2A est associé au chromosome X inactivé chez la femme, et aux ruptures d'ADN double brin. Donc, leur présence empêche l'expression des gènes. Ils ont + d'affinité pour l'ADN que le H2A "classique", donc un ADN qui les contient sera + condensé.
- Les variants de H3 ont différents rôles. Par exemple, le CENP-A remplacent le H3 classique au niveau des centromères.
- Les "packaging histones", ou histones d'empaquetage sont associés à l'ADN surcondensé des gamètes mâles animaux et végétaux. La spermine en est un exemple chez l'homme.


La régulation de l'expression des gènes est beaucoup plus simples chez les procaryotes (bactéries).
Parce que, chez "nous les procaryotes", les nombreuses cellules sont spécialisées, et un gène exprimé dans telle celllule devra être silencieux dans une autre.
Chaque cellule exprime les gènes qui correspondent à sa "spécialité". Il faut donc, chez les eucaryotes, des mécanismes de contrôle très fins, ciblés et répondant à l'environnement de la cellule. Les modifications des histones n'en sont qu'un exemple.

La nature et la répartition des histones et des variants d'histones, dans les chromosomes, sont transmissibles et constituent le code histone. Nous développeront la notion de code histone dans un autre article.
Ainsi, l'expression plus ou moins forte des gènes est un caractère héréditaire comme les allèles eux-mêmes.
C'est un second code de la régulation génétique. Les histones ont aussi un effet sur le recrutement de protéines associées, qui jouent un rôle important.

Toutes ces informations sur les histones permettent d'expliquer pourquoi l'hétérochromatine est inactive et l'euchromatine est active. Cela explique aussi pourquoi la répartition hétérochromatine/euchromatine est stable pendant la mitose, et dynamique pendant la différenciation cellulaire.



Sources : CNED (Anne Frédérique Paul, 2007), Biochimie génétique, Biologie moléculaire (J. Etienne, 6ème édition)