S.N.V. biologie cellulaire le noyau
Introduction
I. Notions générales
II. Le nucléoplasme
III.Au cours de la mitose
Chapitre 1. La membrane nucléaire
I. L'enveloppe nucléaire
II. Les techniques d'isolements
1. Isolement des noyaux
2. Isolement de la membrane
3. Isolement du contenu
4. Manipulation du noyau
III.Composition générale
IV. Composition des membranes interne et externe
1. Les lipides
2. Les protéines
V. Les pores nucléaires
VI. La Lamine nucléaire
VII.La membrane et la division cellulaire
I. Notions gé nérales
Ce qui détermine l'existence d'un noyau c'est la membrane nucléaire qui va isoler le nucléoplasme,
le nucléole, la chromatine du cytoplasme. Dans les cellules eucaryotes, le noyau est délimité par
une enveloppe caractérisé par la localisation d'un pourcentage important d'ADN.
Le noyau est délimité par une enveloppe plus ou moins sphérique constitué de lipides et de
protéines, dans laquelle il y aura des mouvements d'entrées et de sorties. Au contact on aura une
structure chargée négativement (ribosomes), qui est plus ou moins granulaire fibreuse, variant
selon l'état de la cellule. Cette enveloppe est au voisinage du REG, le golgi se trouve à distance
normalement. L'essentiel du patrimoine génétique se trouve dans le noyau.
Le noyau est visible en microscopie optique en contraste de phase est délimité par une
enveloppe nucléaire qui peut etre assimilée une citerne du RE. Cette enveloppe comporte des
ribosomes sur sa face cytoplasmique et est percée de pores nucléaires qui est un espace protéique
permettant les transfert de protéines et acides nucléique.
La séparation des espaces contenant le matériel génétique et le cytoplasme est une des
caractéristiques des cellules eucaryotes.
Continuité de l'enveloppe nucléaire et l'enveloppe du RE, cette enveloppe a une place définie dans
une cellule (et en fonction du type cellulaire) du à un accrochage protéique principalement
composé de tubules qui permettent aussi sa rotation et ses mouvements.
De plus, par rapport à la structure des microtubules émanant du centrosome: certains microtubules
forment une corbeille qui englobent ou délimite la position du noyau.
II. Le nucléoplasme
Le nucléoplasme renferme la quasi totalité de l'information génétique, soit 2m d'ADN
double brin enfermé dans une structure chromatinienne présentant dans le temps different niveaux
de condensation. C'est un empaquettage dynamique et structuration évoluant suivant l'activité et
la différenciation de la cellule.
Le noyau est le siège de la réplication et de la transcription, des corrections au cours de la
phase S et des mécanismes de réparations au cours de G1 et G2.
En phase G1, le noyau est normal ou caractéristique. En phase S: il gonfle, son contenu va se
multiplier pour aboutir à 4n chromosomes, jusqu'à la phase G2 et la métaphase.
Les mécanismes biologiques de la cellule imposent des échanges constant entre le cytoplasme et le
nucléoplasme.
III. Au cours de la mitose
Le noyau n'est plus visible au cours de la mitose:
➢ Disparition de l'enveloppe, désorganisation et disparition du nucléole, formation des
chromosomes mitotiques. Les structures granulaires et fibreuses disparaissent
➢ En fin de mitose, il y a décondensation des chromosomes, réapparition de l'enveloppe
nucléaire et du ou des nucléoles.
La morphologie du noyau fait l'objet d'études morphologiques dans les différents types cellulaires
et dans les cancers.
Chapitre 1. La membrane nucléaire
I. L'enveloppe nucléaire
Constitution visible au MeT
➢ On distingue la double membrane, qui est composé de 2 bicouches associées l'une avec
l'autre. La couche cytoplasmique est en continuité avec la couche lipidique
nucléoplasmique. Composition chimique identique de la membrane des deux cotés.
➢ Continuité des deux membranes avec le REG. La face externe de l'enveloppe nucléaire est
en continuité avec la face externe du REG, de meme pour la bicouche lipidique interne.
➢ Le noyau n'est pas libre de se déplacer dans le cytoplasme, il est localisé dans une corbeille
de microtubules et de filaments intermédiaires. Contact direct avec des microfilaments
(intermédiaire) qui tapissent la face externe.
II. Les techniques d'isolements
1. Isolement des noyaux
➢ Un broyage ou l'action de détergents faibles en milieu isotonique et en présence de
cations divalents permet de lyser la cellule.
Une centrifugation à basse vitesse (1000g), permet de culotter les plus grosses structures:
les noyaux qui peuvent être ensuite purifiées. Il ne faut pas changer la force ionique si on
veut maintenir son intégrité.
2. Isolement de la membrane
La membrane et la matrice nucléaire sont isolées après actions de haute force ionique et
DNAses pour se débarasser du contenu du noyau.
3. Isolement du contenu
Si on veut isoler le contenu, on utilise des détergents. Les nucléoprotéines sont isolées par
l'action de détergents qui solubilisent la membrane.
4. Manipulation du noyau
Les noyaux sont directement atteignables par micromanipulation: à l'aide d'une micro-aiguille en
verre, on peut traverser la membrane cellulaire sans la détruire. Il est possible d'injecter de petits
volumes dans le cytoplasme ou dans le noyau en conservant la compartimentation
Il est possible:
➢ D'extraire un noyau ou ses composants et de l'injecter dans une autre cellule
➢ Fusionner deux noyaux dans une même cellule.
Lors de synthèse d'ARNm associée à une protéine (gène de classe II), l'ARNm va traverser
l'enveloppe nucléaire et va se retrouver dans le cytoplasme et va interagirt avec des protéines. Les
protéines qui seront à destination du noyau vont devoir passer la membrane nucléaire.
Le REG est une poche de membrane qui entoure le noyau. Les deux membranes proches
topographiquement peuvent fusionner: il y aura fusion du patrimoine génétique et des nucléoles.
III. Composition générale
C'est une double membrane formée de lipides et de protéines
➢ Membrane externe et interne en continuité avec le REG et fusionnant au niveau des
pores nucléaires. La membrane externe est garnie de ribosomes.
➢ La face interne est tapissée d'un réseau de protéines: la lamina est formée de protéine
fibrillaire interagissant avec la membrane nucléaire interne, la chromatine et les pores
nucléaires. Absence de ribosome sur la face interne de la membrane nucléaire.
Les pores nucléaires sont de grand complexes protéiques à la fusion des membranes nucléaires
externes et internes.
IV. Composition des membranes interne et externe
Comme et en continuité avec le REG, elles ont la même composition que lui:
1. Les lipides
➢ 10% de cholestérol
➢ 55% de phosphatidyl choline
➢ 20% de phosphatidyl éthanolamine
Forment une bicouche de lipide fluide insaturé (rotation et translation)
➢ La fluidité dépend de la température
➢ Le facteur le plus important est le degré d'insaturation des chaines d'acides gras des
phospholipides.
➢ La fluidité est diminuée par l'incorporation de stéroïdes.
La fluidité génère une structure mobile ordonée qui autorise des interactions à l'intérieur de la
membrane
Conséquences de la composition LIPIDIQUE:
➢ Difusion des protéines membranaires après fusion
➢ Existence de domaines membranaires et polarité cellulaire
➢ Passage de substances au travers de la membrane
➢ Orientation des complexes protéiques
2. Les protéines
Rapport protéines/lipides = 2
Essentiellement les protéines constituant les pores nucléaires , les protéines sont orientées, et
peuvent diffuser latéralement
La continuité de l'enveloppe nucléaire est assurée par deux membranes concentrique séparées par
un espace intermédiaire réel de 10 à 50 nm.
V. Les pores nucléaires
Ce sont les structures protéiques permettant le passage entre le cytoplasme et le noyau.
Structures de grand volume et diamètre de 1000 Å. Ce complexe correspond à une fusion des
membranes externes et internes délimitant un canal aqueux où des molécules solubles passent.
Leur nombre varie de 3 000 à 4 000 par noyau (2 à 60 />m²) Ce nombre varie en fontion de
l'activité de la cellule.
A coloration spécifique de protéine, on voit plusieurs sous structures:
➢ Deux anneaux: un sur la face cytoplasmique et un sur la face nucléoplasmique, ils sont
reliés par des protéines et en continuité avec des fibrilles protéiques des deux cotés.
➢ Les doigts protéiques interviennent dans la reconnaissance et le transport dans un sens
ou l'autre.
On distingue une centaine (100 - 200) de chaines peptidiques par pore nucléaire. Ils ont une
symétrie d'ordre 8 facilement reconnaissable sur les deux faces
Ces structures permettant le transport cytoplasme/noyau qui est une diffusion passive et lente
de petites molécules: une molécule de 17 000 daltons passe en 2 minutes mais lorsque la taille
augmente, la vitesse diminue: une protéine de 44 000 daltons passe en 30 mn.
Une petite protéine isolée peut traverser, mais dès qu'elle fait partie d'un complexe, il faudra
un système actif.
On distingue les pores nucléaires en haute résolution à l'aide de billes de métal.
On distingue du cytoplasme vers le nucléoplasme:
➢ Un anneau cytoplasmique (32 Mda) et un anneau nucléaire (21 Mda):
• L'anneau cytoplasmique est attachée à 8 fibrilles courtes.
• L'anneau nucléoplasmique est rattaché à un panier formé de 8 filaments se
rassemblant en anneau
➢ La structure protéique centrale (55Mda) de la taille d'un ribosome et formé de huit
domaines répétés (16 domaine protéique)
La structure est retrouvé aussi bien chez les levures que chez les vertébrés.
Le pore nucléaire est ainsi formé d'une centaine de protéines différentes (8-16 copies) appellées
les nucléoporines (Nups) dont la plupart comportent un motif répété FG. Elles ont un domaine
inatra membranaire et un extramembranaire et des doigts protéiques vont permettre l'attachement
à la membrane nucléaire.
Certains de ces nucléoporines interagissent avec des facteurs de transport: les importines, elles
ont un role de reconnaissance et d'acheminement de constituant présent dans le cytoplasme vers
le noyau mais également de complexe provenant du nucléoplasme (RNP) qui sont transferé dans le
cytoplasme.
Les importines sont présentes des deux cotés et chemine à travers le pore nucléaire.
Les lamines présent sur la face nucléoplasmique de l'enveloppe nucléaire interagissent avec le
pore nucléaire: interaction protéine-protéine qui va associer ce pore nucléaire à la structure
rigidifiante de la membrane nucléaire.
Cette enveloppe nucléaire peut aussi avoir des transport actifs.
Mécanisme de reconnaissance des protéines (signal d'adressage), consomation d'ATP en
traversant
la membrane.
Expérience: microinjection dans le cytoplasme d'oocytes de Xenopus laevis.
On peut lier les protéines à des particules d'or coloïdale à des fragments de protéine
nucléaires, il y aura identification de séquence de 4 à 8 acides aminés, Riche en Lysine ou
Arginine, reconnaissance, acheminement à travers le pore nucléaire et intégration dans le
noyau.
Donc il y a reconnaissance de séquence signal. Cette expérience permet de visualiser les lieux
d'acheminement du cytoplasme vers le noyau et on peut visualiser que les billes d'or passent par le
pore nucléaire.
Le transport actif est très efficace: 107 histones par minute traversent l'enveloppe nucléaire
d'une cellule. Chaque pore nucléaire se déclenche et transporte une centaine d'histone par
minute.
Il y a transport de protéines cytoplasmiques à l'aide de facteurs cytoplasmique: interaction,
reconnaissance à l'aide des filaments des pores, recyclage.
Transport aussi d'ARN vers le cytoplasme:
➢ ARNm: formation d'interaction nucléoprotéique (association avec une protéine) et
maturation.
➢ ARNr: maturation et préassemblage
L'assemblage dans le noyau n'est que transitoire.
Exemple:
Maintien de la Ran-GTP et de Ran-GDP dans des compartiments différents. La
structure de cette protéine est modifié par son interaction avec le GTP ou GDP.
L'acheminement se fait selon la structure de la protéine.
ARNm associé à des protéines se déroule lors de son passage dans le pore nucléaire pour
aboutir dans le cytoplasme. Une fois dans le cytoplasme il va pouvoir interagir avec les SU
ribosomales.
Le mécanisme est relativement complexe:
➢ Les protéines constituant la ribonucleoprotéines sont importé du cytoplasme,
➢ Dans le noyau, les protéines vont interagir avec les acides ribonucléique: assemblage
➢ Déroulement de la structure lors du passage dans le pore nucléaire
➢ Stade terminal dans le cytoplasme.
Acheminement du noyau vers cytoplasme: ARNm + protéine ainsi que les ARNr.
VI. La Lamine nucléaire
Forme un maillage fibrillaire dense présent sur la face nucléoplasmique stabilisant les pores.
Les protéines sont constituées de filaments intermédiaires d'environ 70 000 daltons. On différencie
les lamines A,B,C formant un tamis de fibres ou squelette à la surface de la membrane interne:
➢ Portion tubulaire ou hélicale centrale
➢ Contiennent une séquence d'adressage au noyau forment un réseau bidimensionnel
dynamique: il peut y avoir des dissociation (dépolymérisation) par phosphorylation (cdc2
kinase, cyclineB) lors du cycle cellulaire. Cette dépendance du cycle cellulaire est due par
des enzyme kinase dont l'activité est modulé par rapport au cycle cellulaire.
➢ Adjonction de groupement isoprènes et carboxyliques hydrophobes facilitant
l'interaction de la lamine avec la membrane.
➢ Recepteurs lamine B ancrée dans la membrane interne.
Le maillage est formé par la polymérisation des lamines. Forment un tapis protéique présente sur
la surface interne de l'enveloppe nucléaire.
VII. La membrane et la division cellulaire
➢ Phosphorylation des lamines par les cdc2 kinase: dépolymérisation de la lamina
➢ Fragmentation de la membrane nucléaire en petites vésicules associées aux pores
nucléaires dissociés et protéines membranaires
➢ Déphosphorylation, polymérisation
➢ Fusion des microvésicules reformant l'enveloppe nucléaire.
➢ Transport actif des protéines nucléaire à l'intérieur du noyau.
La séquence d'adressage n'est pas exisé lors de son transport.
Des micronoyaux peuvent etre formées par microinjection d'ADN purifié de chromatine ou de la
protéine Ran-GTP dans des noyaux d'oocyte de Xeonopus laevis. Des pores nucléaires
foncitonnels
sont présent dans ces membranes reconstituées.
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