Le noyau et la chromatine

Le noyau est le compartiment qui abrite l'information génétique de la cellule eucaryote et contrôle son expression. Ce chapitre décrit son enveloppe et ses pores, l'organisation de l'ADN en chromatine puis en chromosomes, le nucléole et les échanges entre noyau et cytoplasme. Les niveaux de compaction de l'ADN et le tableau euchromatine / hétérochromatine sont des classiques des examens du S1.

1. Organisation générale du noyau

Le noyau est le plus volumineux des organites : sphérique ou ovoïde, il mesure en général 5 à 10 µm et occupe environ 10 % du volume cellulaire. La plupart des cellules en possèdent un seul, mais la fibre musculaire striée en compte des centaines (syncytium) et le globule rouge des mammifères en est dépourvu. Il comprend une enveloppe nucléaire, le nucléoplasme, la chromatine et un ou plusieurs nucléoles. Ses fonctions : conserver et répliquer l'ADN, le transcrire en ARN et fabriquer les sous-unités des ribosomes. Le rapport nucléo-cytoplasmique augmente dans les cellules très actives ou cancéreuses.

2. L'enveloppe nucléaire et les pores

L'enveloppe nucléaire est formée de deux membranes séparées par l'espace périnucléaire. La membrane externe, souvent garnie de ribosomes, se prolonge par le réticulum endoplasmique rugueux ; la membrane interne est tapissée par la lamina nucléaire, un réseau de filaments intermédiaires (lamines A, B, C) qui soutient l'enveloppe et ancre la chromatine. Les deux membranes fusionnent au niveau des pores nucléaires, plusieurs milliers par noyau, chacun occupé par un complexe du pore à symétrie d'ordre 8 formé de nucléoporines. Les petites molécules diffusent librement ; les protéines nucléaires, porteuses d'un signal de localisation nucléaire (NLS), sont importées activement par des importines, tandis que les ARN messagers et les sous-unités ribosomales sont exportés. Au début de la mitose, la phosphorylation des lamines désassemble l'enveloppe, qui se reconstitue en télophase.

3. La chromatine et le nucléosome

La chromatine est l'association de l'ADN avec des protéines, surtout des histones, petites protéines basiques riches en lysine et en arginine. Le premier niveau de compaction est le nucléosome : environ 146 paires de bases d'ADN enroulées autour d'un octamère d'histones (deux exemplaires de H2A, H2B, H3 et H4). Les nucléosomes, séparés par un ADN de liaison, forment la fibre de 11 nm en « collier de perles » ; l'histone H1 les rapproche en une fibre de 30 nm, qui s'organise ensuite en boucles fixées sur un squelette de protéines non histones. Le chromosome métaphasique représente le degré de compaction maximal, environ 10 000 fois.

En interphase, on distingue l'euchromatine, décondensée, claire au microscope électronique, riche en gènes et transcriptionnellement active, et l'hétérochromatine, condensée, dense, accolée à l'enveloppe et au nucléole, inactive. L'hétérochromatine constitutive (centromères, télomères) reste condensée dans toutes les cellules ; l'hétérochromatine facultative varie selon le type cellulaire : le corpuscule de Barr, chromosome X inactivé des cellules féminines, en est l'exemple à connaître. L'état de la chromatine dépend de modifications des histones (l'acétylation ouvre, la méthylation de certains résidus ferme) et de la méthylation de l'ADN.

4. Chromosomes et caryotype

Pendant la mitose, chaque molécule d'ADN déjà répliquée se condense en un chromosome formé de deux chromatides sœurs identiques réunies au centromère, sur lequel s'assemble le kinétochore qui fixe les microtubules du fuseau. Les extrémités, ou télomères, protègent la molécule et raccourcissent à chaque division dans les cellules dépourvues de télomérase. Selon la position du centromère, le chromosome est métacentrique, submétacentrique ou acrocentrique. Le caryotype classe les chromosomes métaphasiques par taille et position du centromère : l'espèce humaine possède 2n = 46 chromosomes, soit 22 paires d'autosomes et une paire de gonosomes (XX ou XY). Il révèle les anomalies de nombre (trisomie 21, syndrome de Turner 45,X) ou de structure (délétions, translocations). Les cellules somatiques sont diploïdes (2n), les gamètes haploïdes (n = 23).

5. Le nucléole et la fabrication des ribosomes

Le nucléole est une région dense du noyau, non limitée par une membrane, qui se forme autour des organisateurs nucléolaires : les régions de plusieurs chromosomes (13, 14, 15, 21 et 22 chez l'homme) portant les centaines de copies des gènes des ARN ribosomiques. L'ARN polymérase I y transcrit un précurseur qui est clivé en ARNr 18S, 5,8S et 28S ; ces ARN s'associent à l'ARNr 5S (transcrit hors du nucléole) et à des protéines importées du cytoplasme pour former les sous-unités ribosomales 40S et 60S, exportées séparément par les pores et assemblées en ribosome 80S dans le cytosol. Au microscope électronique, on distingue le centre fibrillaire, le composant fibrillaire dense et le composant granulaire. Le nucléole, très développé dans les cellules qui synthétisent beaucoup de protéines, disparaît en prophase et se reforme en télophase.

6. Réplication et transcription : le noyau au travail

Pendant la phase S du cycle, l'ADN est répliqué de façon semi-conservative : chaque brin sert de matrice à l'ADN polymérase, qui ne synthétise que dans le sens 5' → 3' à partir d'une amorce, de manière continue sur un brin et par fragments d'Okazaki sur l'autre ; son activité exonucléasique 3' → 5' corrige les erreurs. La transcription copie un gène en ARN pré-messager, qui subit dans le noyau une maturation (coiffe, queue poly-A, épissage des introns) avant d'être exporté vers les ribosomes. C'est cette séparation spatiale entre transcription nucléaire et traduction cytoplasmique qui distingue fondamentalement l'eucaryote du procaryote, où les deux processus sont couplés.