Nucléole

Le nucléole est contenu dans le noyau cellulaire.

Le nucléole (pluriel de nucléoles) est un grand sous-compartiment sphéroïdal distinct du noyau des cellules eucaryotes qui est le site de la synthèse de l’ARN ribosomal (ARNr) et de l’assemblage des sous-unités ribosomales. Le nucléole est parfois qualifié d' »organite non membranaire » ou d' »organite nucléaire sans membrane » au sens large du terme « organite » ; toutefois, le nucléole ne possède pas de membrane et n’est donc pas un organite au sens plus technique des structures qui sont enfermées séparément dans leur propre membrane lipidique. La plupart des cellules végétales et animales ont un ou plusieurs nucléoles, mais certains types de cellules n’en ont pas.

Le nucléole est une structure hautement dynamique dont les composants sont dispersés au début de la mitose et sont réassemblés à la fin de la division cellulaire. Cet organe complexe travaille en coopération avec d’autres composants nucléaires pour assurer une fonction précieuse pour la cellule. Cependant, lorsque cette coordination complexe dans les cellules humaines est perturbée, par exemple par une infection virale, des mutations congénitales ou une activité accrue, plusieurs maladies humaines peuvent en résulter.

Overview

Schéma d’une cellule animale typique, montrant les composants subcellulaires. Organelles :
(1) nucléole
(2) noyau
(3) ribosomes (petits points)
(4) vésicule
(5) réticulum endoplasmique rugueux (RE)
(6) appareil de Golgi
(7) cytosquelette
(8) réticulum endoplasmique lisse (RE)
(9) Mitochondries
(10) vacuole
(11) cytoplasme
(12) lysosome
(13) centrioles au sein du centrosome

Le nucléole est une grande structure nucléaire distincte, hautement organisée et dépourvue de membrane. La fonction principale du nucléole est la biogenèse et l’assemblage des composants du ribosome (ARNr, protéines ribosomiques). Ce site de transcription de l’ADN ribosomal (ADNr) a été qualifié de « machine à produire des ribosomes » (Alberts et al. 1989). Le nucléole peut être visualisé par microscopie électronique tandis que son organisation et sa dynamique peuvent être étudiées par marquage des protéines fluorescentes et récupération fluorescente après photoblanchiment (FRAP).

Dans une cellule non mitotique, observée au microscope optique, le nucléole est la structure la plus évidente du noyau (Alberts et al. 1989). Cependant, au cours des étapes initiales de la division cellulaire, les nucléoles sont fragmentés (on ne peut plus les voir en métaphase). A la transition entre la télophase et l’interphase, ils se réassemblent autour des régions chromatiniennes où la transcription de l’ADNr est réinitialisée. Les séquences d’ADNr codent les molécules d’ARNr (ARN ribosomal) des ribosomes.

Au lieu d’être lié par une membrane, le nucléole semble être construit à partir de la liaison spécifique de précurseurs de ribosomes inachevés, formant un grand réseau (Alberts et al. 2004). On distingue trois régions du nucléole : un centre fibrillaire (qui contient de l’ADN qui n’est pas activement transcrit), un composant fibrillaire dense (qui contient des molécules d’ARN en cours de transcription) et un composant granulaire (qui contient des particules de précurseurs ribosomiques en cours de maturation) (Alberts et al. 1989). Cette dernière région contribue à rendre distincte la frontière avec le nucléoplasme environnant, malgré l’absence de membrane.

Puisque les nucléoles réalisent la production et la maturation des ribosomes, un grand nombre de ribosomes se trouvent à l’intérieur. En plus de la biogenèse des ribosomes, les nucléoles auraient d’autres rôles dans l’activité cellulaire. En outre, selon des recherches récentes, le nucléole est également responsable du trafic de diverses espèces de petits ARN importants. Le nucléole les aide au cours de leur processus de maturation et de leur trajet vers leur destination cellulaire finale. En outre, bien que le nucléole devienne invisible pendant la division cellulaire, des études récentes ont révélé qu’il participe à la régulation du cycle cellulaire. Plusieurs de ses rôles non traditionnels comprennent l’interaction avec les composants viraux, la régulation des activités des suppresseurs de tumeurs et des oncogènes, l’assemblage des particules de reconnaissance des signaux, la modification des petits brins d’ARN, le contrôle du vieillissement et la modulation de la fonction télomérase.

Les premiers cytologistes étaient tellement intéressés par les nucléoles facilement visibles qu’une revue de 1898 a répertorié environ 700 références (Alberts et al. 1989). Les cytologues ont démontré dès les années 1940 que les nucléoles contiennent de fortes concentrations d’ARN et de protéines (Alberts et al. 1989). En 1964, John Gurdon et Donald Brown ont découvert les nucléoles cellulaires chez la grenouille à griffes africaine Xenopus laevis. Ils ont constaté que 25 % des œufs de grenouille n’avaient pas de nucléole et que ces œufs n’étaient pas capables de vivre. La moitié des œufs avaient un nucléole et 25 % en avaient deux. Ils en ont conclu que le nucléole avait une fonction nécessaire à la vie. En 1966, Max L. Birnstiel und Hugh Wallace ont montré par des expériences d’hybridation que le nucléole code pour l’ADN ribosomal.

Morphologie du nucléole

Le nucléole est typiquement composé de trois régions morphologiquement distinctes, qui peuvent être visualisées par microscopie électronique (ME) (Hernandez-Verdun 2006a ; 2006b ; Olson et Dundr 2005 ; Raška et al. 2006 ; Thiry et Lafontaine 2005):

1. Centre fibrillaire (CF):

• légèrement coloré lorsqu’il est observé par EM
• composé de « fibrilles » (± 50Ǻ en Ø)
• présence de pol I et d’UBF
• multiples FC dans un nucléole
• représentent seulement 1 à 2 pour cent du volume total du nucléole

2. Centre fibrillaire dense ou Composant fibrillaire dense (CFD):

• entourent les CF
• composés de « fibrilles densément tassées » (30-50 Ǻ de Ø)
• occupent une grande fraction du nucléole, ± 17 pour cent et reflètent grossièrement l’engagement nucléolaire dans la biogenèse des ribosomes

3. Région granulaire ou composant granulaire (GR) :

• région englobant à la fois le FC et le DFC
• constituée de granules 150-200 Ǻ en Ø
• région riche en granules en raison de la présence de particules RNP
• avec une fraction d’environ 75 pour cent, il occupe la plus grande fraction du volume total du nucléole
• bien que le nucléole ne soit pas lié à la membrane, en raison de la présence de GC, la frontière avec la chromatine et le nucléoplasme environnants est généralement distincte.

Un composant substantiel (supplémentaire) du nucléole est la chromatine, qui pénètre dans l’organite à partir du nucléoplasme environnant.

Un lien continu entre le nucléoplasme et les parties internes du nucléole existe à travers un réseau de canaux nucléolaires. De cette façon, les macromolécules ayant un poids moléculaire allant jusqu’à 2000 kDa sont facilement distribuées dans tout le nucléole.

Une dernière structure est identifiée à l’intérieur du nucléole et est appelée vacuole nucléolaire. Il y a de multiples vacuoles nucléolaires dans le nucléole, mais on ne sait toujours pas si elles ont un but fonctionnel ou structurel.

Bien que l’organisation « tripartite » (FC, DFC, GC) du nucléole soit communément acceptée, il a été proposé que cette organisation particulière ne soit observée que chez les eucaryotes supérieurs et qu’elle ait évolué d’une organisation bipartite avec la transition des anamniotes aux amniotes. Reflétant l’augmentation substantielle de la région intergénique de l’ADNr, un composant fibrillaire originel se serait séparé en FC et en DFC (Thiry et Lafontaine 2005).

Le nucléole et la transcription de l’ADNr/le traitement de l’ARNr/l’assemblage des ribosomes

L’assemblage du nucléole se produit de manière non aléatoire. Les nucléoles sont formés autour de loci génétiques spécifiques appelés régions organisatrices nucléolaires (NOR). Précédemment décrite par McClintock comme « l’élément organisateur nucléolaire », une NOR est composée de répétitions en tandem de gènes d’ARNr qui sont présents en plusieurs exemplaires dans tout le génome. Le génome humain, par exemple, contient plus de 200 copies du gène de l’ARNr et elles sont regroupées sur cinq chromosomes différents. Chez un eucaryote typique, un gène d’ARNr se compose d’un promoteur, d’espaceurs transcrits internes et externes (ITS/ETS), de séquences codant pour l’ARNr (18S, 5.8S, 28S) et d’un espaceur externe « non » transcrit (Alberts et al. 2002).

Dans la biogenèse des ribosomes, trois ARN polymérases eucaryotes (pol I, II, III) sont nécessaires, qui fonctionnent de manière coordonnée. Dans un premier temps, les gènes de l’ARNr sont transcrits en une seule unité dans le nucléole par l’ARN pol I. Pour que cette transcription ait lieu, plusieurs facteurs associés à la pol I et des facteurs de transactance spécifiques de l’ADNr sont nécessaires. Chez la levure, les plus importants sont l’UAF (upstream activating factor), le TBP (tata-box binding protein) et le CF (core factor), qui se lient aux éléments promoteurs et forment le complexe de pré-initiation (PIC), qui est à son tour reconnu par la pol I.

Chez l’homme, un PIC similaire est assemblé avec SLI, le facteur de sélectivité du promoteur, qui est composé de TBP et de facteurs associés à TBP (TAF), IF, le facteur d’initiation de la transcription, et UBF, le facteur de liaison en amont.

La transcription du gène ribosomal donne une longue molécule précurseur (45S pre-rRNA), qui contient encore le sapcer transcrit interne (ITS) et l’espace transcrit externe (ETS). Un traitement supplémentaire, qui implique une méthylation et une activité endo/exonucléase, est donc nécessaire pour générer les molécules d’ARNr 18S, 5.8S et 28S. Les enzymes de modification de l’ARN sont amenées à leurs sites de reconnaissance respectifs par interaction avec des ARN guides, qui se lient à ces séquences spécifiques. Les ARN guides appartiennent à la classe des petits ARN nucléolaires (snoRNA), qui sont complexés avec des protéines et existent sous forme de petites particules nucléolaires-ribonucléoprotéiques (RNP) (snoRNP).

Une fois l’ARNr traité, les molécules d’ARNr sont prêtes à être assemblées en ribosomes. Cependant, une molécule d’ARN supplémentaire, l’ARNr 5S, est nécessaire à cette biogenèse. Chez la levure, la séquence de l’ARNr 5S est localisée dans l’espaceur externe « non » transcrit et est transcrite dans le nucléole par l’ARN pol III. Chez les eucaryotes supérieurs et les plantes, la situation est plus complexe, car la séquence d’ADNr 5S se trouve à l’extérieur du NOR et est transcrite dans le nucléoplasme, après quoi elle est importée dans le nucléole pour participer à l’assemblage du ribosome. Cet assemblage implique non seulement l’ARNr, mais aussi les protéines ribosomiques. Les gènes codant pour ces r-protéines sont transcrits par pol II dans le nucléoplasme par une voie « classique » de synthèse des protéines (transcription, traitement du pré-ARNm, exportation nucléaire de l’ARNm mature et traduction sur les ribosomes cytoplasmiques). Les r-protéines matures sont ensuite réimportées dans le nucléole. L’association et la maturation des ARNr et des r-protéines entraînent la formation des sous-unités 40S et 60S du ribosome. Celles-ci sont exportées par les complexes de pores nucléaires vers le cytoplasme où elles restent libres ou vont s’associer au réticulum endoplasmique (Alberts et al. 2002 ; Cooper et Hausman 2007).

Organisation et dynamique nucléolaires

De multiples protéines nucléolaires et petits ARN nucléolaires (snoRNA’s) s’associent pour former la machinerie de traitement nécessaire à la biogenèse des ribosomes. Ils sont impliqués dans la modification des transcrits ARNr naissants par méthylation (2′-O-méthylation/pseudouridylation) et clivage endonucléolytique des pré-ARN. Ces étapes de transformation sont principalement confinées dans le DFC (composant fibrillaire dense) comme le révèle la présence de ces snoRNP (particules de petites ribonucléoprotéines nucléaires) constituant des protéines, par exemple la fibrillarine, la nucléoline et le snoRNA U3. Les protéines B23 et NOP52, impliquées dans les étapes ultérieures du traitement. sont localisées dans le GC (composant granulaire).

Ceci montre que l’organisation du nucléole est fortement régulée et dépendante des étapes du traitement des ARNr. Ces observations ont également conduit à l’hypothèse que la transcription de l’ADNr doit se produire dans le FC (centre fibrillaire) ou à la jonction entre le FC et le DFC en raison du mouvement vectoriel vers l’extérieur des transcriptions pré-ARN pendant qu’elles sont traitées pour donner des ARNr matures.

Si l’on considère l’ensemble complet des protéines et des ARN nécessaires à la biogenèse des ribosomes, on peut supposer qu’un nucléole se forme simplement parce que certaines protéines, impliquées dans la transcription des gènes de l’ADNr, se lient à leurs régions cibles, et que tout autour d’elles se produit un assemblage spontané de tous les éléments impliqués dans la modification des ARNr naissants. Par conséquent, l’organisation se produit comme une conséquence de la biogenèse des ribosomes.

Plusieurs approches expérimentales ont été utilisées pour obtenir une vue détaillée de ce processus d’assemblage particulier. Les plus importantes sont le marquage de protéines fluorescentes, dans lequel une protéine d’intérêt est fusionnée avec une protéine fluorescente telle que la « protéine fluorescente verte » (GFP) et la récupération fluorescente après photoblanchiment (FRAP) qui consiste à marquer une protéine avec une protéine de fusion après quoi les molécules fluorescentes dans la zone d’étude sont blanchies avec un laser. L’intensité de la fluorescence de la zone étudiée se rétablira en raison de la diffusion vers l’extérieur des molécules blanchies et de la diffusion vers l’intérieur des molécules non blanchies. La première approche permet de suivre le mouvement du complexe fluorescent (3D+temps) et la seconde permet de mesurer le temps de résidence (temps passé dans une certaine zone) de la protéine fluorescente (en d’autres termes, de mesurer la mobilité intracellulaire).

Les deux méthodes expérimentales reposent sur la capacité de marquer toute une série de protéines associées au nucléole, comme les protéines nucléolaires, les histones, les protéines de liaison à l’ADN, les facteurs de transcription et les spliceosomes. Le suivi et la mesure du temps de résidence des protéines marquées ont permis de démontrer les taux d’association/dissociation rapides des protéines nucléolaires avec d’autres composants nucléolaires, l’échange continu de protéines entre le nucléole et le nucléoplasme pendant l’interphase, et l’implication de ces protéines nucléolaires avec d’autres domaines nucléaires. On a par exemple constaté que les corps de Cajal (CB) sont enrichis en petites ribonucléoprotéines nucléaires et nucléolaires et qu’ils contiennent plusieurs protéines de traitement associées au nucléole, comme la fibrillarine. Par conséquent, il a été proposé qu’il devrait exister une relation fonctionnelle entre les nucléoles et les corps de Cajal (Hernandez-Verdun 2006a, 2006b).

Plusieurs observations expérimentales indiquent que le recrutement des éléments constitutifs du nucléole ne se fait pas de manière aléatoire et qu’il est régulé par la progression du cycle cellulaire. Pendant la mitose, la machinerie de transcription reste étroitement associée à l’ADNr. Cependant, la transcription est réprimée par le complexe protéine kinase cycline B/Cdk1 (PMF). Ce complexe est activé au début de la mitose et réprime les activités nucléaires en phosphorylant un certain nombre de protéines kinases ou de protéines structurelles impliquées dans les réarrangements cellulaires nécessaires à une bonne division cellulaire. C’est à la fin de la mitose, lorsque le PMF est dégradé par le clivage protéolytique de la cycline B, que les nucléoles se réassemblent autour des sites d’ADNr en réponse à la ré-initiation de la transcription de l’ADNr. Les protéines nucléolaires sont, contrairement aux protéines impliquées dans la transcription, localisées à la périphérie des chromosomes pendant la phase M du cycle cellulaire. Ceci peut être visualisé par le marquage de protéines fluorescentes. Lors du passage de la télophase à la phase G1, la majorité d’entre elles sont regroupées en corps prénucléaires (PNB). Ce sont ces PNB qui effectuent la translocation des chromosomes vers les sites où la transcription de l’ADNr a commencé. On pense que les PNB fonctionnent comme une plateforme d’assemblage et comme un réservoir pour les complexes protéiques, qui libèrent les protéines de traitement sur les sites de transcription de l’ADNr. Les protéines de traitement précoce, telles que la fibrillarine, sont recrutées en réponse à une diminution de l’activité de la cycline B/Cdk1, tandis que les protéines de traitement tardif, telles que B23 et Nop52, sont recrutées en réponse à l’activité de la kinase dépendante de la cycline (cdk). De cette façon, les diverses protéines de traitement peuvent être libérées exactement au moment où elles sont nécessaires pendant la synthèse de l’ARNr (Hernandez-Verdun 2006a, 2006b).

Maladies humaines associées au nucléole

Les maladies humaines associées à un dysfonctionnement du nucléole peuvent être causées par des infections virales, une augmentation de l’activité nucléolaire, ou simplement par des mutations congénitales affectant les protéines nucléolaires.

Si un virus contient un signal de ciblage nucléolaire (NOS) dans son génome, certaines particules virales seront dirigées vers le nucléole. C’est le cas du virus de l’immunodéficience humaine (VIH), qui dirige la protéine Rev du VIH-1 vers le nucléole. Grâce à son interaction avec la protéine nucléolaire B23, elle remplit son rôle en régulant le schéma d’épissage de l’ARNm du VIH-1, car elle favorise l’exportation de l’ARNm non épissé vers le cytoplasme. Il a été proposé que la protéine Rev soit localisée dans le nucléole pour fournir une voie de translocation alternative pour l’ARNm viral (non épissé/partiellement épissé) du nucléoplasme au cytoplasme. De cette façon, l’ARNm viral est protégé contre la dégradation (qui aurait normalement lieu pour protéger la cellule contre la traduction de l’ARNm pré-(non épissé)).

Une activité nucléolaire accrue aura un effet sur la surproduction de ribosomes, ce qui conduira finalement à la tumorgenèse et au cancer. Un facteur clé de ces nucléoles dysfonctionnels est la protéine c-myc, produit du c-myc-proto-oncogène. Elle stimule la biogenèse des ribosomes en régulant directement la pol I, en influençant la transcription de la pol II, III et en s’associant au composant SL1 du complexe de pré-initiation, ce qui augmente l’efficacité du recrutement de la pol I au complexe de pré-initiation.

En outre, plusieurs mutations congénitales affectant les protéines nucléolaires ont été décrites : Le syndrome de Weine, le syndrome de Treacher Collins et le syndrome de dyskératose congénitale (Hernandez-Verdun 2006a, 2006b ; Raška et al. 2006).

Dominance nucléolaire

La dominance nucléolaire a également été démontrée pour les gènes d’ARNr. Chez certains organismes, notamment les plantes, lorsque deux noyaux sont combinés en une seule cellule lors de l’hybridation, l’organisme en développement peut « choisir » un ensemble de gènes d’ARNr pour la transcription. Les gènes d’ARNr de l’autre parent sont supprimés et ne sont généralement pas transcrits, bien que la réactivation des gènes d’ARNr supprimés ou « inférieurs » puisse se produire occasionnellement. Cette préférence sélective de la transcription des gènes d’ARNr est appelée dominance nucléolaire.

• Alberts, B., D. Bray, J. Lewis, M. Raff, K. Roberts, et J. D. Watson. Biologie moléculaire de la cellule, 2e édition. New York : Garland Publishing, 1989. ISBN 0824036956.

• Alberts, B., A. Johnson, J. Lewis, M. Raff, K. Roberts, et P. Walter. 2002. Biologie moléculaire de la cellule, 4e édition. New York : Garland Science. ISBN 0815332181.

• Cooper, G. M., et R. E. Hausman. 2007. La cellule : une approche moléculaire. Washington, DC : ASM Press. ISBN 9780878932191.

• Hernandez-Verdun, D. 2006a. [http://www.springerlink.com/content/75n545v0g3186830 Nucléolus : De la structure à la dynamique. Histochem Cell Biol 125 : 127-137. Consulté le 8 juillet 2008.

• Hernandez-Verdun, D. 2006b. Le nucléole : Un modèle pour l’organisation des fonctions nucléaires. Histochem Cell Biol 126 : 135-148. Consulté le 8 juillet 2008.

• Khadzhiolov, A. A. 1985. Le nucléole et la biogenèse des ribosomes. Wien : Springer-Verlag. ISBN 3211817905.

• Olson, M. O. J. 2004. The Nucleolus. Georgetown, TX : Landes Bioscience/ Eurekah.Com. New York : Kluwer Academic/Plenum Publishers. ISBN 0306478730.

• Olson, M. O. J., et M. Dundr. 2005. Les parties mobiles du nucléole. Histochem Cell Biol 123 : 203-216. Consulté le 8 juillet 2008.

• Raška, I., P. J. Shaw, et D. Cmarko. 2006. Nouveaux aperçus de l’architecture et de l’activité nucléolaires. Revue internationale de cytologie 255 : 177-235. Consulté le 23 juillet 2008.

• Thiry, M., et L. J. Lafontaine. 2005. Naissance d’un nucléole : L’évolution des compartiments nucléolaires. Trends in Cell Biology 15 (4). Consulté le 8 juillet 2008.

• Thiry, M., et G. Goessens. 1996. Le nucléole au cours du cycle cellulaire. New York : Springer ; Austin, TX : R.G. Landes. ISBN 3540613528.

Tous les liens ont été récupérés le 14 décembre 2018.

• Nucléole au microscope électronique II.

Acrosome | Chloroplaste | Cilium/Flagellum | Centriole | Réticulum endoplasmique | Appareil de Golgi | Lysosome | Mélanosome | Mitochondrion | Myofibrille. | Nucleus | Parenthèse | Peroxysome | Plastide | Ribosome | Vacuole | Vésicule