Les chromosomes, structures universelles des cellules eucaryotes - Maxicours

Les chromosomes, structures universelles des cellules eucaryotes

Objectifs
  • Montrer que les chromosomes sont des structures universelles.
  • Distinguer chromatine et chromatide.
  • Comprendre les degrés de compaction des chromosomes.
  • Établir un lien entre compaction et cycle cellulaire.
  • Établir un lien entre compaction et expression génique et réplication
Points clés
  • Les chromosomes eucaryotes sont des structures linéaires localisées dans le noyau des cellules.
  • Lorsque la cellule se divise, les chromatides constituant les chromosomes deviennent visibles.
  • Au cours du cycle cellulaire, les chromosomes alternent des états de condensation-décondensation indispensables au bon fonctionnement de la cellule et à sa multiplication.
Pour bien comprendre
  • Les chromosomes sont formés par une molécule d’ADN formée de deux brins enroulés l’un sur l’autre sous la forme d’une double hélice.
  • Chacun des brins est constitué d’une succession de 4 nucléotides définissant leur séquence. Les deux brins sont complémentaires l’un de l’autre.
1. Présentation des chromosomes eucaryotes

Les chromosomes eucaryotes sont des structures linéaires présentes dans le noyau des cellules dont la fonction essentielle est de porter l’information génétique sous la forme de gènes.

L’ensemble des chromosomes d’une cellule eucaryote peut être isolé afin de reconstituer le caryotype. Pour cela, une cellule est bloquée en phase de mitose par de la colchicine qui empêche la séparation des chromatides, puis éclatée pour libérer le matériel génétique. Les chromosomes sont ensuite colorés afin de faire apparaître des alternances de bandes sombres et claires permettant de les distinguer. On classe ensuite les chromosomes par paire (dans le cas d’une cellule diploïde), puis par motif et par taille. Le résultat obtenu est appelé caryotype.


Exemple de deux caryotype de l’espèce humaine (homme et femme)

Au sein d’un caryotype, on distingue deux types de chromosomes : les autosomes (numérotés) et les gonosomes ou chromosomes sexuels nommés X ou Y. Si l’individu est de sexe féminin, il aura une paire de gonosomes XX, si l’individu est de sexe masculin, il possédera une paire de gonosomes XY.

On constate que quelque soit l’espèce étudiée, les cellules eucaryotes contiennent toutes des chromosomes linéaires dans leur noyau. C’est donc une structure universelle.

2. Organisation moléculaire des chromosomes eucaryotes

Chaque chromosome est constitué d’un long filament d’ADN (Acide DésoxyriboNucléique) constitué lui-même de deux brins s’enroulant l’un sur l’autre pour former une double hélice. Chacun des brins est caractérisé par la succession de 4 nucléotides appelée séquence qui définit l’information génétique. Les chromosomes existent sous deux états dans la cellule :

  • Sous forme de chromatine durant les phases G1 et S du cycle cellulaire. Dans ce cas, le chromosome est décondensé ce qui permet l’expression des gènes et la réplication de l’ADN.
  • Sous forme de chromatide durant les phases G2 et M du cycle cellulaire. Cet état n’existe que lorsque la réplication a eu lieu. Dans ce cas, les chromosomes sont doubles puisqu’ils possèdent deux chromatides rattachées ensemble au niveau du centromère.

Un chromosome
a. Les propriétés de compaction de la chromatine

La chromatine caractérise les phases G1 et S du cycle cellulaire durant lesquelles le noyau des cellules présente un aspect granuleux. Les chromosomes ne sont pas visibles à ce stade. Toutefois, à plus fort grossissement, on constate que des filaments d’ADN sont observables.


Aspect de la chromatine dans un noyau en phase G1

La chromatine est constituée de molécules d’ADN qui s’enroulent autour de protéines. Cette compaction permet au noyau de la cellule d’un diamètre tout juste de quelques µm de pouvoir contenir jusqu’à 2 m d’ADN. Mais, c’est sous la forme de chromatine que s’exprime et se réplique l’ADN. Elle doit donc être accessible aux polymérases et autres enzymes impliquées. On constate que la chromatine est formée par une succession de structures composées d’ADN et d’histones qui se répètent tout le long du brin d’ADN que l’on appelle nucléosomes. Ils constituent le premier niveau de compaction des chromosomes.


Le premier niveau de compaction des chromosomes : les nucléosomes

Cette chaîne ADN-protéines va se compacter de nouveau formant une fibre d’environ 30 nm de diamètre (nucléofilament) pour permettre à la totalité de la molécule de rentrer dans l’espace restreint défini par le noyau. Toutefois, ce niveau de compaction conduit à un repliement au hasard des filaments dans le noyau ce qui ne permet pas de rendre visibles les chromosomes. Par contre, cette organisation va faciliter l’accès aux enzymes impliquées dans l’expression et la réplication de l’ADN.

b. Les propriétés de compaction de la chromatide

Durant la phase G2 les chromosomes deviennent visibles au microscope optique. On dit qu’ils sont condensés. À ce stade les chromatides sont individualisées.


Aspect de la chromatide dans un noyau en phase M

Ce niveau de compaction est permis par le fait que les nucléofilaments qui constituent la chromatine vont s’enrouler sur eux-mêmes (grâce à des protéines) de façon successive permettant ainsi son pelotonnage.


De l'ADN au chromosome : les enroulements successifs

Ainsi, au cours du cycle cellulaire, les chromosomes vont se condenser et se décondenser afin de permettre la division cellulaire et la conservation des caryotypes d’une part, mais aussi l’expression et la réplication de l’ADN d’autre part. Ces propriétés communes à toutes les espèces sont essentielles pour permettre le stockage d’une grande quantité d’information génétique dans le noyau d’une cellule eucaryote.

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