Noyau cellulaire -Cell nucleus

Cellules HeLa colorées pour l'ADN nucléaire avec le colorant fluorescent bleu Hoechst . Les cellules centrales et les plus à droite sont en interphase , ainsi leurs noyaux entiers sont marqués. À gauche, une cellule est en mitose et son ADN s'est condensé.
Biologie cellulaire
Diagramme de cellule animale
Cellule animale.svg
Composants d'une cellule animale typique :
  1. Nucléole
  2. Noyau
  3. Ribosome (points faisant partie de 5)
  4. Vésicule
  5. Réticulum endoplasmique rugueux
  6. Appareil de Golgi (ou corps de Golgi)
  7. Cytosquelette
  8. Réticulum endoplasmique lisse
  9. Mitochondrie
  10. Vacuole
  11. Cytosol (liquide qui contient des organites ; avec lequel, comprend le cytoplasme )
  12. Lysosome
  13. Centrosome
  14. Membrane cellulaire

Le noyau cellulaire (pl. noyaux ; du latin noyau ou noyau , signifiant noyau ou graine ) est un organite lié à la membrane que l'on trouve dans les cellules eucaryotes . Les cellules eucaryotes ont généralement un seul noyau, mais quelques types de cellules, tels que les globules rouges de mammifères , n'ont pas de noyaux , et quelques autres, y compris les ostéoclastes , en ont plusieurs . Les principales structures constituant le noyau sont l' enveloppe nucléaire , une double membrane qui renferme l'ensemble de l'organite et isole son contenu du cytoplasme cellulaire ; et la matrice nucléaire , un réseau au sein du noyau qui ajoute un support mécanique.

Le noyau cellulaire contient la quasi-totalité du génome de la cellule . L'ADN nucléaire est souvent organisé en plusieurs chromosomes - de longues portions d'ADN parsemées de diverses protéines , telles que les histones , qui protègent et organisent l'ADN. Les gènes de ces chromosomes sont structurés de manière à favoriser la fonction cellulaire. Le noyau maintient l'intégrité des gènes et contrôle les activités de la cellule en régulant l'expression des gènes .

Parce que l'enveloppe nucléaire est imperméable aux grosses molécules, les pores nucléaires sont nécessaires pour réguler le transport nucléaire des molécules à travers l'enveloppe. Les pores traversent les deux membranes nucléaires, fournissant un canal à travers lequel les molécules plus grosses doivent être activement transportées par les protéines porteuses tout en permettant la libre circulation des petites molécules et des ions . Le mouvement de grosses molécules telles que les protéines et l'ARN à travers les pores est nécessaire à la fois pour l'expression des gènes et pour le maintien des chromosomes. Bien que l'intérieur du noyau ne contienne aucun sous-compartiment lié à la membrane, il existe un certain nombre de corps nucléaires , constitués de protéines uniques, de molécules d'ARN et de parties particulières des chromosomes. Le plus connu d'entre eux est le nucléole , impliqué dans l'assemblage des ribosomes .

Ouvrages

Schéma du noyau montrant la membrane nucléaire externe cloutée de ribosomes , les pores nucléaires, l'ADN (complexé en chromatine ) et le nucléole .

Le noyau contient la quasi-totalité de l' ADN de la cellule , entouré d'un réseau de filaments intermédiaires fibreux et enveloppé d'une double membrane appelée enveloppe nucléaire . L'enveloppe nucléaire sépare le fluide à l'intérieur du noyau, appelé le nucléoplasme , du reste de la cellule. La taille du noyau est corrélée à la taille de la cellule, et ce rapport est rapporté dans une gamme de types de cellules et d'espèces. Chez les eucaryotes, le noyau de nombreuses cellules occupe généralement 10 % du volume cellulaire. Le noyau est le plus grand organite des cellules animales. Dans les cellules humaines, le diamètre du noyau est d'environ six micromètres (µm).

Enveloppe nucléaire et pores

Coupe transversale d'un pore nucléaire à la surface de l' enveloppe nucléaire (1). D'autres étiquettes de diagramme montrent (2) la bague extérieure, (3) les rayons, (4) le panier et (5) les filaments.

L' enveloppe nucléaire est constituée de deux membranes , une interne et une externe , perforées de pores nucléaires . Ensemble, ces membranes servent à séparer le matériel génétique de la cellule du reste du contenu cellulaire et permettent au noyau de maintenir un environnement distinct du reste de la cellule. Malgré leur apposition étroite autour d'une grande partie du noyau, les deux membranes diffèrent considérablement par leur forme et leur contenu. La membrane interne entoure le contenu nucléaire, fournissant son bord de définition. Enchâssées dans la membrane interne, diverses protéines lient les filaments intermédiaires qui donnent au noyau sa structure. La membrane externe renferme la membrane interne et est continue avec la membrane adjacente du réticulum endoplasmique . Dans le cadre de la membrane du réticulum endoplasmique, la membrane nucléaire externe est parsemée de ribosomes qui traduisent activement les protéines à travers la membrane. L'espace entre les deux membranes s'appelle l'espace périnucléaire et est continu avec la lumière du réticulum endoplasmique .

Dans une enveloppe nucléaire de mammifère, il y a entre 3000 et 4000 complexes de pores nucléaires (NPC) perforant l'enveloppe. Chaque NPC contient une structure en forme d'anneau à symétrie octuple à une position où les membranes interne et externe fusionnent. Le nombre de PNJ peut varier considérablement selon les types de cellules ; les petites cellules gliales n'en ont qu'environ quelques centaines, les grandes cellules de Purkinje en ayant environ 20 000. Le NPC assure le transport sélectif des molécules entre le nucléoplasme et le cytosol . Le complexe de pores nucléaires est composé d'environ trente protéines différentes appelées nucléoporines . Les pores ont un poids moléculaire d'environ 60 à 80 millions de daltons et se composent d'environ 50 (chez la levure ) à plusieurs centaines de protéines (chez les vertébrés ). Les pores ont un diamètre total de 100 nm ; cependant, l'espace à travers lequel les molécules diffusent librement n'est que d'environ 9 nm de large, en raison de la présence de systèmes de régulation au centre du pore. Cette taille permet sélectivement le passage de petites molécules solubles dans l'eau tout en empêchant les molécules plus grosses, telles que les acides nucléiques et les protéines plus grosses, d'entrer ou de sortir de manière inappropriée du noyau. Ces grosses molécules doivent plutôt être activement transportées dans le noyau. Attaché à l'anneau se trouve une structure appelée le panier nucléaire qui s'étend dans le nucléoplasme et une série d'extensions filamenteuses qui atteignent le cytoplasme. Les deux structures servent à médier la liaison aux protéines de transport nucléaire.

La plupart des protéines, des sous-unités ribosomiques et certains ARN sont transportés à travers les complexes de pores dans un processus médié par une famille de facteurs de transport connus sous le nom de caryophérines . Les caryophérines qui interviennent dans le mouvement vers le noyau sont également appelées importines, tandis que celles qui interviennent dans le mouvement hors du noyau sont appelées exportines. La plupart des caryophérines interagissent directement avec leur cargaison, bien que certaines utilisent des protéines adaptatrices . Les hormones stéroïdes telles que le cortisol et l'aldostérone , ainsi que d'autres petites molécules liposolubles impliquées dans la signalisation intercellulaire , peuvent diffuser à travers la membrane cellulaire et dans le cytoplasme, où elles se lient aux protéines des récepteurs nucléaires qui sont acheminées vers le noyau. Ils y servent de facteurs de transcription lorsqu'ils sont liés à leur ligand ; en l'absence d'un ligand, de nombreux récepteurs de ce type fonctionnent comme des histones désacétylases qui répriment l'expression des gènes.

Lamina nucléaire

Dans les cellules animales, deux réseaux de filaments intermédiaires assurent un support mécanique au noyau : la lamina nucléaire forme un maillage organisé sur la face interne de l'enveloppe, tandis qu'un support moins organisé est fourni sur la face cytosolique de l'enveloppe. Les deux systèmes fournissent un support structurel pour l'enveloppe nucléaire et des sites d'ancrage pour les chromosomes et les pores nucléaires.

La lamina nucléaire est composée principalement de protéines de lamine . Comme toutes les protéines, les lamines sont synthétisées dans le cytoplasme puis transportées à l'intérieur du noyau, où elles sont assemblées avant d'être incorporées dans le réseau existant de lamina nucléaire. Les lamines trouvées sur la face cytosolique de la membrane, telles que l'émerine et la nesprine , se lient au cytosquelette pour fournir un support structurel. Les lamines se trouvent également à l'intérieur du nucléoplasme où elles forment une autre structure régulière, connue sous le nom de voile nucléoplasmique , visible en microscopie à fluorescence . La fonction réelle du voile n'est pas claire, bien qu'il soit exclu du nucléole et soit présent pendant l'interphase . Les structures de lamin qui composent le voile, telles que LEM3 , se lient à la chromatine et la perturbation de leur structure inhibe la transcription des gènes codant pour les protéines.

Comme les composants d'autres filaments intermédiaires , le monomère lamine contient un domaine alpha-hélicoïdal utilisé par deux monomères pour s'enrouler l'un autour de l'autre, formant une structure dimère appelée bobine enroulée . Deux de ces structures dimères se rejoignent ensuite côte à côte, dans un arrangement antiparallèle , pour former un tétramère appelé protofilament . Huit de ces protofilaments forment un arrangement latéral qui est tordu pour former un filament en forme de corde . Ces filaments peuvent être assemblés ou désassemblés de manière dynamique, ce qui signifie que les changements de longueur du filament dépendent des taux concurrents d'ajout et de retrait de filament.

Des mutations dans les gènes lamines conduisant à des défauts d'assemblage des filaments provoquent un groupe de troubles génétiques rares connus sous le nom de laminopathies . La laminopathie la plus notable est la famille de maladies connues sous le nom de progeria , qui provoque l'apparition d' un vieillissement prématuré chez ses patients. Le mécanisme exact par lequel les changements biochimiques associés donnent lieu au phénotype âgé n'est pas bien compris.

Chromosomes

Un noyau de fibroblaste de souris dans lequel l'ADN est coloré en bleu. Les territoires chromosomiques distincts du chromosome 2 (rouge) et du chromosome 9 (vert) sont colorés par hybridation in situ fluorescente .

Le noyau cellulaire contient la majorité du matériel génétique de la cellule sous la forme de multiples molécules d'ADN linéaires organisées en structures appelées chromosomes . Chaque cellule humaine contient environ deux mètres d'ADN. Pendant la majeure partie du cycle cellulaire, ceux-ci sont organisés en un complexe ADN-protéine connu sous le nom de chromatine , et pendant la division cellulaire, la chromatine peut être vue pour former les chromosomes bien définis familiers d'un caryotype . Une petite fraction des gènes de la cellule se trouve plutôt dans les mitochondries .

Il existe deux types de chromatine. L'euchromatine est la forme d'ADN la moins compacte et contient des gènes fréquemment exprimés par la cellule. L'autre type, l'hétérochromatine , est la forme la plus compacte et contient de l'ADN rarement transcrit. Cette structure est en outre classée en hétérochromatine facultative , constituée de gènes organisés en hétérochromatine uniquement dans certains types de cellules ou à certains stades de développement, et en hétérochromatine constitutive constituée de composants structurels chromosomiques tels que les télomères et les centromères . Au cours de l'interphase, la chromatine s'organise en plaques individuelles discrètes, appelées territoires chromosomiques . Les gènes actifs, qui se trouvent généralement dans la région euchromatique du chromosome, ont tendance à être situés vers la limite du territoire du chromosome.

Les anticorps dirigés contre certains types d'organisation de la chromatine, en particulier les nucléosomes , ont été associés à un certain nombre de maladies auto-immunes , telles que le lupus érythémateux disséminé . Ceux-ci sont connus sous le nom d' anticorps anti-nucléaires (ANA) et ont également été observés de concert avec la sclérose en plaques dans le cadre d'un dysfonctionnement général du système immunitaire.

Nucléole

Une micrographie électronique d'un noyau cellulaire, montrant le nucléole de couleur sombre

Le nucléole est la plus grande des structures discrètes densément colorées et sans membrane connues sous le nom de corps nucléaires trouvés dans le noyau. Il se forme autour de répétitions en tandem de l'ADNr , l'ADN codant pour l'ARN ribosomique (ARNr). Ces régions sont appelées régions organisatrices nucléolaires (NOR). Les rôles principaux du nucléole sont de synthétiser l'ARNr et d'assembler les ribosomes . La cohésion structurelle du nucléole dépend de son activité, car l'assemblage ribosomal dans le nucléole entraîne l'association transitoire de composants nucléolaires, facilitant un assemblage ribosomique supplémentaire, et donc une association supplémentaire. Ce modèle est étayé par des observations selon lesquelles l'inactivation de l'ADNr entraîne un mélange de structures nucléolaires.

Dans la première étape de l'assemblage des ribosomes, une protéine appelée ARN polymérase I transcrit l'ADNr, qui forme un grand précurseur de pré-ARNr. Celui-ci est clivé en deux grandes sous-unités d'ARNr - 5.8S et 28S , et une petite sous-unité d'ARNr 18S . La transcription, le traitement post-transcriptionnel et l'assemblage de l'ARNr se produisent dans le nucléole, aidés par de petites molécules d'ARN nucléolaire (snoARN), dont certaines sont dérivées d' introns épissés d' ARN messagers codant pour des gènes liés à la fonction ribosomale. Les sous-unités ribosomiques assemblées sont les plus grandes structures passées à travers les pores nucléaires .

Lorsqu'il est observé au microscope électronique , on peut voir que le nucléole se compose de trois régions distinctes : les centres fibrillaires les plus internes (FC), entourés par le composant fibrillaire dense (DFC) (qui contient de la fibrillarine et de la nucléoline ), qui à son tour est bordé par le composant granulaire (GC) (qui contient la protéine nucléophosmine ). La transcription de l'ADNr se produit soit dans le FC, soit à la limite FC-DFC et, par conséquent, lorsque la transcription de l'ADNr dans la cellule est augmentée, davantage de FC sont détectés. La majeure partie du clivage et de la modification des ARNr se produit dans le DFC, tandis que les dernières étapes impliquant l'assemblage des protéines sur les sous-unités ribosomiques se produisent dans le GC.

Autres corps nucléaires

Tailles des structures sous-nucléaires
Nom de l'ouvrage Diamètre structure Réf.
Corps cajal 0,2–2,0 µm
Clastosomes 0,2-0,5 µm
PIKA 5 µm
Organismes PML 0,2–1,0 µm
Parataches 0,5–1,0 µm
Taches 20–25 nm

Outre le nucléole, le noyau contient un certain nombre d'autres corps nucléaires. Ceux-ci comprennent les corps de Cajal , les gémeaux des corps de Cajal, l'association caryosomale interphase polymorphe (PIKA), les corps de leucémie promyélocytaire (PML), les parataches et les taches d'épissage. Bien que l'on sache peu de choses sur un certain nombre de ces domaines, ils sont significatifs en ce qu'ils montrent que le nucléoplasme n'est pas un mélange uniforme, mais contient plutôt des sous-domaines fonctionnels organisés.

D'autres structures sous-nucléaires apparaissent dans le cadre de processus pathologiques anormaux. Par exemple, la présence de petits bâtonnets intranucléaires a été rapportée dans certains cas de myopathie à némaline . Cette condition résulte généralement de mutations de l'actine et les bâtonnets eux-mêmes sont constitués d'actine mutante ainsi que d'autres protéines du cytosquelette.

Corps et pierres précieuses Cajal

Un noyau contient généralement entre une et dix structures compactes appelées corps de Cajal ou corps enroulés (CB), dont le diamètre mesure entre 0,2 µm et 2,0 µm selon le type de cellule et l'espèce. Lorsqu'ils sont vus au microscope électronique, ils ressemblent à des boules de fils emmêlés et sont des foyers de distribution denses pour la protéine coilin . Les CB sont impliqués dans un certain nombre de rôles différents liés au traitement de l'ARN, en particulier la maturation du petit ARN nucléolaire (snoARN) et du petit ARN nucléaire (snARN), et la modification de l'ARNm des histones.

Semblables aux corps de Cajal, les corps des Gémeaux de Cajal, ou gemmes, dont le nom est dérivé de la constellation des Gémeaux en référence à leur étroite relation « jumelle » avec les CB. Les pierres précieuses sont de taille et de forme similaires aux CB et sont en fait pratiquement impossibles à distinguer au microscope. Contrairement aux CB, les gemmes ne contiennent pas de petites ribonucléoprotéines nucléaires (snRNP), mais contiennent une protéine appelée survie du motoneurone (SMN) dont la fonction est liée à la biogenèse des snRNP. On pense que les gemmes aident les CB dans la biogenèse des snRNP, bien qu'il ait également été suggéré à partir de preuves microscopiques que les CB et les gemmes sont des manifestations différentes de la même structure. Des études ultrastructurales ultérieures ont montré que les gemmes étaient des jumeaux de corps de Cajal, la différence étant dans le composant coilin ; Les corps de Cajal sont SMN positifs et coilin positifs, et les gemmes sont SMN positifs et coilin négatifs.

Domaines PIKA et PTF

Les domaines PIKA, ou associations caryosomales interphases polymorphes, ont été décrits pour la première fois dans des études de microscopie en 1991. Leur fonction reste incertaine, bien qu'on ne pense pas qu'ils soient associés à la réplication active de l'ADN, à la transcription ou au traitement de l'ARN. Ils se sont souvent associés à des domaines discrets définis par une localisation dense du facteur de transcription PTF, qui favorise la transcription du petit ARN nucléaire (ARNsn).

Corps nucléaires PML

Les protéines de la leucémie promyélocytaire (corps nucléaires PML) sont des corps sphériques dispersés dans tout le nucléoplasme, mesurant environ 0,1 à 1,0 µm. Ils sont connus sous un certain nombre d'autres noms, notamment le domaine nucléaire 10 (ND10), les corps de Kremer et les domaines oncogènes PML. Les corps nucléaires PML portent le nom de l'un de leurs principaux composants, la protéine de la leucémie promyélocytaire (PML). Ils sont souvent vus dans le noyau en association avec des corps de Cajal et des corps de clivage. Les souris Pml-/-, qui sont incapables de créer des corps nucléaires PML, se développent normalement sans effets nocifs évidents, ce qui montre que les corps nucléaires PML ne sont pas nécessaires à la plupart des processus biologiques essentiels.

Mouchetures d'épissage

Les mouchetures sont des structures sous-nucléaires enrichies en facteurs d'épissage de l'ARN pré-messager et situées dans les régions interchromatiniennes du nucléoplasme des cellules de mammifères. Au niveau du microscope à fluorescence, ils apparaissent comme des structures irrégulières et ponctuées, qui varient en taille et en forme, et lorsqu'ils sont examinés au microscope électronique, ils apparaissent comme des amas de granules interchromatiniens . Les mouchetures sont des structures dynamiques, et leurs composants protéiques et ARN-protéines peuvent effectuer un cycle continu entre les mouchetures et d'autres emplacements nucléaires, y compris les sites de transcription actifs. Les mouchetures peuvent travailler avec p53 en tant qu'amplificateurs de l'activité des gènes pour améliorer directement l'activité de certains gènes. De plus, les cibles du gène p53 associant et non associant le chatoiement sont fonctionnellement distinctes.

Des études sur la composition, la structure et le comportement des mouchetures ont fourni un modèle pour comprendre la compartimentation fonctionnelle du noyau et l'organisation de la machinerie d'expression génique épissant les snRNP et d'autres protéines d'épissage nécessaires au traitement du pré-ARNm. En raison des exigences changeantes d'une cellule, la composition et l'emplacement de ces corps changent en fonction de la transcription de l'ARNm et de la régulation via la phosphorylation de protéines spécifiques. Les taches d'épissage sont également connues sous le nom de taches nucléaires (taches nucléaires), compartiments de facteurs d'épissage (compartiments SF), amas de granules interchromatiniens (IGC) et snurposomes B . Les snurposomes B se trouvent dans les noyaux des ovocytes des amphibiens et dans les embryons de Drosophila melanogaster . Les snurposomes B apparaissent seuls ou attachés aux corps de Cajal dans les micrographies électroniques des noyaux des amphibiens. Les IGC fonctionnent comme des sites de stockage pour les facteurs d'épissage.

Parataches

Découvert par Fox et al. en 2002, les parataches sont des compartiments de forme irrégulière dans l'espace interchromatinien du noyau. Documentées pour la première fois dans les cellules HeLa, où il y en a généralement 10 à 30 par noyau, les parataches sont maintenant connues pour exister également dans toutes les cellules primaires humaines, les lignées cellulaires transformées et les coupes de tissus. Leur nom est dérivé de leur distribution dans le noyau ; le "para" est l'abréviation de parallèle et les "taches" font référence aux taches d'épissage dont elles sont toujours à proximité.

Les parataches séquestrent les protéines nucléaires et l'ARN et semblent donc fonctionner comme une éponge moléculaire impliquée dans la régulation de l'expression des gènes. De plus, les parataches sont des structures dynamiques qui sont modifiées en réponse aux changements de l'activité métabolique cellulaire. Ils dépendent de la transcription et en l'absence de transcription de l'ARN Pol II, le parachatoiement disparaît et tous ses composants protéiques associés (PSP1, p54nrb, PSP2, CFI(m)68 et PSF) forment une coiffe périnucléolaire en forme de croissant dans le nucléole. Ce phénomène est mis en évidence au cours du cycle cellulaire. Dans le cycle cellulaire , les parataches sont présentes pendant l'interphase et pendant toute la mitose à l'exception de la télophase . Pendant la télophase, lorsque les deux noyaux filles sont formés, il n'y a pas de transcription d'ARN Pol II , de sorte que les composants protéiques forment à la place une coiffe périnucléolaire.

Fibrilles de périchromatine

Les fibrilles de périchromatine ne sont visibles qu'au microscope électronique. Ils sont situés à côté de la chromatine transcriptionnellement active et sont supposés être les sites de traitement actif du pré-ARNm .

Clastosomes

Les clastosomes sont de petits corps nucléaires (0,2 à 0,5 µm) décrits comme ayant une forme annulaire épaisse en raison de la capsule périphérique autour de ces corps. Ce nom est dérivé du grec klastos , brisé et soma , corps. Les clastosomes ne sont généralement pas présents dans les cellules normales, ce qui les rend difficiles à détecter. Ils se forment dans des conditions protéolytiques élevées à l'intérieur du noyau et se dégradent en cas de diminution de l'activité ou si les cellules sont traitées avec des inhibiteurs du protéasome . La rareté des clastosomes dans les cellules indique qu'ils ne sont pas nécessaires à la fonction du protéasome . Il a également été démontré que le stress osmotique provoque la formation de clastosomes. Ces corps nucléaires contiennent des sous-unités catalytiques et régulatrices du protéasome et de ses substrats, indiquant que les clastosomes sont des sites de dégradation des protéines.

Fonction

Le noyau fournit un site de transcription génétique qui est séparé de l'emplacement de la traduction dans le cytoplasme, permettant des niveaux de régulation génique qui ne sont pas disponibles pour les procaryotes . La fonction principale du noyau cellulaire est de contrôler l'expression des gènes et d'assurer la réplication de l'ADN au cours du cycle cellulaire.

Compartimentation cellulaire

L' enveloppe nucléaire permet de contrôler le contenu nucléaire et de le séparer du reste du cytoplasme si nécessaire. Ceci est important pour contrôler les processus de chaque côté de la membrane nucléaire : dans la plupart des cas où un processus cytoplasmique doit être restreint, un participant clé est retiré du noyau, où il interagit avec des facteurs de transcription pour réguler négativement la production de certaines enzymes dans le noyau. sentier. Ce mécanisme de régulation se produit dans le cas de la glycolyse , une voie cellulaire de dégradation du glucose pour produire de l'énergie. L'hexokinase est une enzyme responsable de la première étape de la glycolyse, formant du glucose-6-phosphate à partir du glucose. À des concentrations élevées de fructose-6-phosphate , une molécule fabriquée plus tard à partir de glucose-6-phosphate, une protéine régulatrice élimine l'hexokinase vers le noyau, où elle forme un complexe répresseur transcriptionnel avec des protéines nucléaires pour réduire l'expression des gènes impliqués dans la glycolyse.

Afin de contrôler quels gènes sont transcrits, la cellule sépare certaines protéines facteurs de transcription responsables de la régulation de l'expression des gènes de l'accès physique à l'ADN jusqu'à ce qu'elles soient activées par d'autres voies de signalisation. Cela empêche même de faibles niveaux d'expression génique inappropriée. Par exemple, dans le cas des gènes contrôlés par NF-κB , qui sont impliqués dans la plupart des réponses inflammatoires , la transcription est induite en réponse à une voie de signalisation telle que celle initiée par la molécule de signalisation TNF-α , se lie à un récepteur membranaire cellulaire, entraînant le recrutement de protéines de signalisation et activant éventuellement le facteur de transcription NF-κB. Un signal de localisation nucléaire sur la protéine NF-κB lui permet d'être transporté à travers le pore nucléaire et dans le noyau, où il stimule la transcription des gènes cibles.

La compartimentation permet à la cellule d'empêcher la traduction de l'ARNm non épissé. L'ARNm eucaryote contient des introns qui doivent être éliminés avant d'être traduits pour produire des protéines fonctionnelles. L'épissage est effectué à l'intérieur du noyau avant que l'ARNm ne soit accessible aux ribosomes pour la traduction. Sans le noyau, les ribosomes traduiraient l'ARNm nouvellement transcrit (non traité), entraînant des protéines mal formées et non fonctionnelles.

Réplication

La fonction principale du noyau cellulaire est de contrôler l'expression des gènes et d'assurer la réplication de l'ADN au cours du cycle cellulaire. Il a été constaté que la réplication se produit de manière localisée dans le noyau cellulaire. Dans la phase S d'interphase du cycle cellulaire; la réplication a lieu. Contrairement à la vision traditionnelle du déplacement des fourches de réplication le long de l'ADN stagnant, un concept d' usines de réplication a émergé, ce qui signifie que les fourches de réplication sont concentrées vers certaines régions «usines» immobilisées à travers lesquelles les brins d'ADN matrice passent comme des bandes transporteuses.

L'expression du gène

Une usine de transcription générique lors de la transcription, mettant en évidence la possibilité de transcrire plus d'un gène à la fois. Le diagramme comprend 8 ARN polymérases, mais le nombre peut varier en fonction du type de cellule. L'image comprend également des facteurs de transcription et un noyau protéique poreux.

L'expression génique implique d'abord la transcription, dans laquelle l'ADN est utilisé comme matrice pour produire de l'ARN. Dans le cas de gènes codant pour des protéines, cet ARN produit à partir de ce processus est un ARN messager (ARNm), qui doit ensuite être traduit par des ribosomes pour former une protéine. Comme les ribosomes sont situés à l'extérieur du noyau, l'ARNm produit doit être exporté.

Puisque le noyau est le site de la transcription, il contient également une variété de protéines qui interviennent directement dans la transcription ou sont impliquées dans la régulation du processus. Ces protéines comprennent les hélicases , qui déroulent la molécule d'ADN double brin pour en faciliter l'accès, les ARN polymérases , qui se lient au promoteur de l'ADN pour synthétiser la molécule d'ARN en croissance, les topoisomérases , qui modifient la quantité de surenroulement dans l'ADN, l'aidant à s'enrouler et se détendre, ainsi qu'une grande variété de facteurs de transcription qui régulent l'expression.

Traitement du pré-ARNm

Les molécules d'ARNm nouvellement synthétisées sont appelées transcrits primaires ou pré-ARNm. Ils doivent subir une modification post-transcriptionnelle dans le noyau avant d'être exportés vers le cytoplasme ; L'ARNm qui apparaît dans le cytoplasme sans ces modifications est dégradé plutôt qu'utilisé pour la traduction des protéines. Les trois principales modifications sont le coiffage en 5' , la polyadénylation en 3' et l'épissage de l'ARN . Alors que dans le noyau, le pré-ARNm est associé à une variété de protéines dans des complexes connus sous le nom de particules ribonucléoprotéiques hétérogènes (hnRNP). L'ajout de la coiffe 5 'se produit de manière co-transcriptionnelle et constitue la première étape de la modification post-transcriptionnelle. La queue de polyadénine 3' n'est ajoutée qu'une fois la transcription terminée.

L'épissage de l'ARN, réalisé par un complexe appelé spliceosome , est le processus par lequel les introns, ou régions d'ADN qui ne codent pas pour la protéine, sont retirés du pré-ARNm et les exons restants sont connectés pour reformer une seule molécule continue. . Ce processus se produit normalement après le coiffage en 5' et la polyadénylation en 3', mais peut commencer avant que la synthèse ne soit terminée dans les transcrits avec de nombreux exons. De nombreux pré-ARNm peuvent être épissés de multiples façons pour produire différents ARNm matures qui codent pour différentes séquences protéiques . Ce processus est connu sous le nom d' épissage alternatif et permet la production d'une grande variété de protéines à partir d'une quantité limitée d'ADN.

Dynamique et régulation

Transport nucléaire

Les macromolécules , telles que l'ARN et les protéines , sont activement transportées à travers la membrane nucléaire dans un processus appelé cycle de transport nucléaire Ran - GTP .

L'entrée et la sortie des grosses molécules du noyau sont étroitement contrôlées par les complexes de pores nucléaires. Bien que de petites molécules puissent entrer dans le noyau sans régulation, les macromolécules telles que l'ARN et les protéines nécessitent des caryophérines d'association appelées importines pour entrer dans le noyau et des exportines pour en sortir. Les protéines "cargo" qui doivent être transloquées du cytoplasme vers le noyau contiennent de courtes séquences d'acides aminés appelées signaux de localisation nucléaire , qui sont liées par des importines, tandis que celles transportées du noyau vers le cytoplasme portent des signaux d'exportation nucléaire liés par des exportines. La capacité des importines et des exportines à transporter leur cargaison est régulée par les GTPases , des enzymes qui hydrolysent la molécule guanosine triphosphate (GTP) pour libérer de l'énergie. La GTPase clé du transport nucléaire est Ran , qui est liée soit au GTP, soit au GDP (guanosine diphosphate), selon qu'elle se trouve dans le noyau ou dans le cytoplasme. Alors que les importins dépendent de RanGTP pour se dissocier de leur cargaison, les exportins ont besoin de RanGTP pour se lier à leur cargaison.

L'importation nucléaire dépend de l'importine liant sa cargaison dans le cytoplasme et la transportant à travers le pore nucléaire dans le noyau. À l'intérieur du noyau, RanGTP agit pour séparer la cargaison de l'importation, permettant à l'importation de sortir du noyau et d'être réutilisée. L'exportation nucléaire est similaire, car l'exportine lie la cargaison à l'intérieur du noyau dans un processus facilité par RanGTP, sort par le pore nucléaire et se sépare de sa cargaison dans le cytoplasme.

Des protéines d'exportation spécialisées existent pour la translocation de l'ARNm et de l'ARNt matures vers le cytoplasme une fois la modification post-transcriptionnelle terminée. Ce mécanisme de contrôle de la qualité est important en raison du rôle central de ces molécules dans la traduction des protéines. Une mauvaise expression d'une protéine due à une excision incomplète d'exons ou à une mauvaise incorporation d'acides aminés pourrait avoir des conséquences négatives pour la cellule ; ainsi, l'ARN incomplètement modifié qui atteint le cytoplasme est dégradé plutôt qu'utilisé dans la traduction.

Montage et démontage

Une image d'une cellule pulmonaire de triton colorée avec des colorants fluorescents pendant la métaphase . Le fuseau mitotique peut être vu, coloré en vert, attaché aux deux ensembles de chromosomes , colorés en bleu clair. Tous les chromosomes sauf un sont déjà au niveau de la plaque métaphasique.

Au cours de sa vie, un noyau peut être décomposé ou détruit, soit dans le processus de division cellulaire , soit à la suite de l'apoptose (le processus de mort cellulaire programmée ). Au cours de ces événements, les composants structuraux du noyau - l'enveloppe et la lame - peuvent être systématiquement dégradés. Dans la plupart des cellules, le désassemblage de l'enveloppe nucléaire marque la fin de la prophase de la mitose. Cependant, ce désassemblage du noyau n'est pas une caractéristique universelle de la mitose et ne se produit pas dans toutes les cellules. Certains eucaryotes unicellulaires (par exemple, les levures) subissent une mitose dite fermée , dans laquelle l'enveloppe nucléaire reste intacte. En mitose fermée, les chromosomes filles migrent vers les pôles opposés du noyau, qui se divise ensuite en deux. Les cellules des eucaryotes supérieurs, cependant, subissent généralement une mitose ouverte , qui se caractérise par une rupture de l'enveloppe nucléaire. Les chromosomes filles migrent alors vers les pôles opposés du fuseau mitotique et de nouveaux noyaux se réassemblent autour d'eux.

À un certain moment du cycle cellulaire en mitose ouverte, la cellule se divise pour former deux cellules. Pour que ce processus soit possible, chacune des nouvelles cellules filles doit avoir un ensemble complet de gènes, un processus nécessitant la réplication des chromosomes ainsi que la ségrégation des ensembles séparés. Cela se produit par les chromosomes répliqués, les chromatides soeurs , qui se fixent aux microtubules , qui à leur tour sont attachés à différents centrosomes . Les chromatides sœurs peuvent ensuite être tirées vers des emplacements séparés dans la cellule. Dans de nombreuses cellules, le centrosome est situé dans le cytoplasme, à l'extérieur du noyau ; les microtubules seraient incapables de se fixer aux chromatides en présence de l'enveloppe nucléaire. Par conséquent, aux premiers stades du cycle cellulaire, à partir de la prophase et jusque vers la prométaphase , la membrane nucléaire est démantelée. De même, au cours de la même période, la lamina nucléaire est également désassemblée, un processus régulé par la phosphorylation des lamines par des protéines kinases telles que la protéine kinase CDC2 . Vers la fin du cycle cellulaire, la membrane nucléaire se reforme, et à peu près au même moment, les lamina nucléaires sont réassemblées en déphosphorylant les lamines.

Cependant, chez les dinoflagellés , l'enveloppe nucléaire reste intacte, les centrosomes sont situés dans le cytoplasme, et les microtubules entrent en contact avec les chromosomes, dont les régions centromériques sont incorporées dans l'enveloppe nucléaire (mitose dite fermée avec fuseau extranucléaire). Chez de nombreux autres protistes (par exemple, ciliés , sporozoaires ) et champignons, les centrosomes sont intranucléaires et leur enveloppe nucléaire ne se désassemble pas non plus lors de la division cellulaire.

L'apoptose est un processus contrôlé dans lequel les composants structurels de la cellule sont détruits, entraînant la mort de la cellule. Les changements associés à l'apoptose affectent directement le noyau et son contenu, par exemple, dans la condensation de la chromatine et la désintégration de l'enveloppe et de la lame nucléaires. La destruction des réseaux de lamin est contrôlée par des protéases apoptotiques spécialisées appelées caspases , qui clivent les protéines de lamin et dégradent ainsi l'intégrité structurelle du noyau. Le clivage de lamin est parfois utilisé comme indicateur de laboratoire de l'activité caspase dans les tests d'activité apoptotique précoce. Les cellules qui expriment des lamines mutantes résistantes à la caspase sont déficientes en changements nucléaires liés à l'apoptose, ce qui suggère que les lamines jouent un rôle dans l'initiation des événements qui conduisent à la dégradation apoptotique du noyau. L'inhibition de l'assemblage des lamines elle-même est un inducteur de l'apoptose.

L'enveloppe nucléaire agit comme une barrière qui empêche les virus à ADN et à ARN de pénétrer dans le noyau. Certains virus ont besoin d'accéder à des protéines à l'intérieur du noyau pour se répliquer et/ou s'assembler. Les virus à ADN, tels que le virus de l'herpès , se répliquent et s'assemblent dans le noyau cellulaire et sortent en bourgeonnant à travers la membrane nucléaire interne. Ce processus s'accompagne d'un désassemblage de la lame sur la face nucléaire de la membrane interne.

Dynamique liée à la maladie

Initialement, on a suspecté que les immunoglobulines en général et les auto-anticorps en particulier ne pénètrent pas dans le noyau. Maintenant, il existe un ensemble de preuves que dans des conditions pathologiques (par exemple, le lupus érythémateux ), les IgG peuvent pénétrer dans le noyau.

Noyaux par cellule

La plupart des types de cellules eucaryotes ont généralement un seul noyau, mais certains n'ont pas de noyau, tandis que d'autres en ont plusieurs. Cela peut résulter d'un développement normal, comme dans la maturation des globules rouges de mammifères , ou d'une division cellulaire défectueuse.

Cellules anucléées

Les globules rouges humains, comme ceux des autres mammifères, sont dépourvus de noyaux. Cela se produit comme une partie normale du développement des cellules.

Une cellule anucléée ne contient pas de noyau et est donc incapable de se diviser pour produire des cellules filles. La cellule anucléée la plus connue est le globule rouge de mammifère, ou érythrocyte , qui manque également d'autres organites tels que les mitochondries, et sert principalement de vaisseau de transport pour transporter l'oxygène des poumons vers les tissus du corps. Les érythrocytes mûrissent par érythropoïèse dans la moelle osseuse , où ils perdent leurs noyaux, leurs organites et leurs ribosomes. Le noyau est expulsé au cours du processus de différenciation d'un érythroblaste à un réticulocyte , qui est le précurseur immédiat de l'érythrocyte mature. La présence de mutagènes peut induire la libération de certains érythrocytes "micronucléés" immatures dans la circulation sanguine. Les cellules anucléées peuvent également provenir d'une division cellulaire défectueuse dans laquelle une fille n'a pas de noyau et l'autre a deux noyaux.

Chez les plantes à fleurs , cette condition se produit dans les éléments du tube tamis .

Cellules multinucléées

Les cellules multinucléées contiennent plusieurs noyaux. La plupart des espèces acanthariennes de protozoaires et certains champignons des mycorhizes ont des cellules naturellement multinucléées. D'autres exemples incluent les parasites intestinaux du genre Giardia , qui ont deux noyaux par cellule. Les ciliés ont deux types de noyaux dans une seule cellule, un macronoyau somatique et un micronoyau germinal . Chez l'homme, les cellules musculaires squelettiques , également appelées myocytes et syncytium , deviennent multinucléées au cours du développement ; la disposition résultante des noyaux près de la périphérie des cellules permet un espace intracellulaire maximal pour les myofibrilles . D'autres cellules multinucléées chez l'humain sont les ostéoclastes, un type de cellule osseuse . Les cellules multinucléées et binucléées peuvent également être anormales chez l'homme; par exemple, des cellules issues de la fusion de monocytes et de macrophages , appelées cellules multinucléées géantes , accompagnent parfois l'inflammation et sont également impliquées dans la formation de tumeurs.

Un certain nombre de dinoflagellés sont connus pour avoir deux noyaux. Contrairement à d'autres cellules multinucléées, ces noyaux contiennent deux lignées distinctes d'ADN : l'une du dinoflagellé et l'autre d'une diatomée symbiotique .

Évolution

En tant que principale caractéristique déterminante de la cellule eucaryote, l' origine évolutive du noyau a fait l'objet de nombreuses spéculations. Quatre hypothèses principales ont été proposées pour expliquer l'existence du noyau, bien qu'aucune n'ait encore obtenu un large soutien.

Le premier modèle connu sous le nom de "modèle syntrophique" propose qu'une relation symbiotique entre les archées et les bactéries ait créé la cellule eucaryote contenant le noyau. (Les organismes du domaine Archaea et Bacteria n'ont pas de noyau cellulaire.) On suppose que la symbiose est née lorsque les archées anciennes, similaires aux archées méthanogènes modernes , ont envahi et vécu au sein de bactéries similaires aux myxobactéries modernes , formant finalement le noyau précoce. Cette théorie est analogue à la théorie acceptée de l'origine des mitochondries et des chloroplastes eucaryotes , qui se seraient développées à partir d'une relation endosymbiotique similaire entre les proto-eucaryotes et les bactéries aérobies. Une possibilité est que la membrane nucléaire soit apparue comme un nouveau système membranaire après l'origine des mitochondries chez un hôte archéobactérien . La membrane nucléaire peut avoir servi à protéger le génome des espèces réactives de l'oxygène produites par les protomitochondries . Les observations selon lesquelles les myxobactéries sont mobiles, peuvent former des complexes multicellulaires et possèdent des kinases et des protéines G similaires à l'eucarye, soutiennent une origine bactérienne pour la cellule eucaryote.

Un deuxième modèle propose que les cellules proto-eucaryotes aient évolué à partir de bactéries sans stade endosymbiotique. Ce modèle est basé sur l'existence de bactéries Planctomycetota modernes qui possèdent une structure nucléaire avec des pores primitifs et d'autres structures membranaires compartimentées. Une proposition similaire indique qu'une cellule de type eucaryote, le chronocyte , a évolué en premier et a phagocyté les archées et les bactéries pour générer le noyau et la cellule eucaryote.

Le modèle le plus controversé, connu sous le nom d'eucaryogenèse virale , postule que le noyau lié à la membrane, ainsi que d'autres caractéristiques eucaryotes, proviennent de l'infection d'un procaryote par un virus. La suggestion est basée sur des similitudes entre les eucaryotes et les virus tels que les brins d'ADN linéaires, le coiffage de l'ARNm et la liaison étroite aux protéines (analogisant les histones aux enveloppes virales ). Une version de la proposition suggère que le noyau a évolué de concert avec la phagocytose pour former un " prédateur " cellulaire précoce. Une autre variante propose que les eucaryotes proviennent d'archées précoces infectées par des poxvirus , sur la base de la similitude observée entre les ADN polymérases des poxvirus modernes et des eucaryotes. Il a été suggéré que la question non résolue de l' évolution du sexe pourrait être liée à l'hypothèse de l'eucaryogenèse virale.

Une proposition plus récente, l' hypothèse de l'exomembrane , suggère que le noyau provient plutôt d'une seule cellule ancestrale qui a développé une seconde membrane cellulaire extérieure ; la membrane intérieure entourant la cellule d'origine est alors devenue la membrane nucléaire et a développé des structures de pores de plus en plus élaborées pour le passage de composants cellulaires synthétisés en interne tels que les sous-unités ribosomales.

Histoire

La plus ancienne représentation connue de cellules et de leurs noyaux par Antonie van Leeuwenhoek , 1719

Le noyau a été le premier organite découvert. Ce qui est très probablement le plus ancien dessin conservé remonte au premier microscopiste Antonie van Leeuwenhoek (1632-1723). Il a observé un « lumen », le noyau, dans les globules rouges du saumon . Contrairement aux globules rouges des mammifères, ceux des autres vertébrés contiennent encore des noyaux.

Le noyau a également été décrit par Franz Bauer en 1804 et plus en détail en 1831 par le botaniste écossais Robert Brown lors d'une conférence à la Linnean Society de Londres . Brown étudiait les orchidées au microscope lorsqu'il a observé une zone opaque, qu'il a appelée "l'aréole" ou "le noyau", dans les cellules de la couche externe de la fleur. Il n'a pas suggéré de fonction potentielle.

En 1838, Matthias Schleiden proposa que le noyau joue un rôle dans la génération des cellules, il introduisit ainsi le nom de « cytoblaste » (« constructeur de cellules »). Il croyait avoir observé de nouvelles cellules s'assemblant autour de « cytoblastes ». Franz Meyen était un farouche opposant à ce point de vue, ayant déjà décrit des cellules se multipliant par division et estimant que de nombreuses cellules n'auraient pas de noyau. L'idée que les cellules peuvent être générées de novo, par le « cytoblaste » ou autrement, contredit les travaux de Robert Remak (1852) et Rudolf Virchow (1855) qui ont propagé de manière décisive le nouveau paradigme selon lequel les cellules sont générées uniquement par les cellules (« Omnis cellula e cellule "). La fonction du noyau restait incertaine.

Entre 1877 et 1878, Oscar Hertwig publie plusieurs études sur la fécondation des œufs d'oursins , montrant que le noyau du spermatozoïde pénètre dans l' ovocyte et fusionne avec son noyau. C'était la première fois qu'il était suggéré qu'un individu se développe à partir d'une (seule) cellule nucléée. Ceci était en contradiction avec la théorie d' Ernst Haeckel selon laquelle la phylogénie complète d'une espèce se répéterait au cours du développement embryonnaire, y compris la génération de la première cellule nucléée à partir d'une " monerula ", une masse sans structure de protoplasme primordial (" Urschleim "). Par conséquent, la nécessité du noyau du sperme pour la fécondation a été discutée pendant un certain temps. Cependant, Hertwig a confirmé son observation dans d'autres groupes d'animaux, notamment les amphibiens et les mollusques . Eduard Strasburger a produit les mêmes résultats pour les plantes en 1884. Cela a ouvert la voie à l'attribution au noyau d'un rôle important dans l'hérédité. En 1873, August Weismann a postulé l'équivalence des cellules germinales maternelles et paternelles pour l'hérédité. La fonction du noyau comme porteur de l'information génétique ne s'est précisée que plus tard, après la découverte de la mitose et la redécouverte des règles mendéliennes au début du XXe siècle ; la théorie chromosomique de l'hérédité a donc été développée.

Voir également

Les références

Lectures complémentaires

Un article de synthèse sur les lamines nucléaires, expliquant leur structure et leurs différents rôles
Un article de synthèse sur le transport nucléaire, explique les principes du mécanisme, et les différentes voies de transport
Un article de synthèse sur le noyau, expliquant la structure des chromosomes dans l'organite et décrivant le nucléole et d'autres corps sous-nucléaires
Un article de synthèse sur l'évolution du noyau, expliquant un certain nombre de théories différentes
  • Pollard TD, Earnshaw WC (2004). Biologie cellulaire . Philadelphie : Saunders. ISBN 978-0-7216-3360-2.
Un manuel de niveau universitaire axé sur la biologie cellulaire. Contient des informations sur la structure et la fonction du noyau, y compris le transport nucléaire et les domaines subnucléaires

Liens externes