CENTROMÈRE

Le centromère est la région de contact des deux chromatides d'un chromosome.

Typologie

Il existe deux types de centromères.

Les centromères des chromosomes monocentriques sont des centromères « régionaux », occupant une région précise au sein d'un chromosome. Ils sont généralement visibles sous la forme d'une constriction sur le chromosome métaphasique. La taille de cette région varie entre les espèces, de 125 pb chez S. cerevisiae jusqu'à plusieurs mégabases pour les centromères humains. On ne compte normalement qu’un centromère régional par chromosome (d’où le terme « monocentrique »), mais des réarrangements chromosomiques peuvent conduire à deux centromères sur un même chromosome (on parle alors de chromosome dicentrique).

Les centromères des chromosomes holocentriques s’étendent sur toute la longueur des chromosomes. Peu fréquents chez les espèces couramment étudiées (à l’exception de C. elegans), jamais observés chez les vertébrés, les chromosomes holocentriques sont néanmoins répandus chez les protozoaires, plusieurs phylums d’invertébrés et quelques plantes

Chromosome.
(1) Chromatide. Chacune formée d'un brin d'ADN parental et d'un brin d'ADN néoformé obtenu après réplication durant la phase S ; (2) Centromère. Le point de contact des deux chromatides, et le point de séparation lors de la mitose ; (3) Bras court ; (4) Bras long

La composition en ADN

L’ADN centromérique est très variable d’une espèce à l’autre. Le centromère le plus simple, celui de Saccharomyces cerevisiae, s’étend sur environ 125 pb et est composé de trois éléments fonctionnels CDE I, II et III (Centromere DNA Element), les éléments I et III étant conservés sur les seize chromosomes alors que l’élément II a une séquence variable, unique sur chaque chromosome¹.

Chez S. pombe, les centromères ont une taille allant de ~35 kb sur le chromosome I à 110 kb sur le chromosome III. Chaque centromère est composé d’un domaine central flanqué de deux domaines externes. Le domaine central est lui-même composé d’un élément central cnt de 4 à 7 kb constitué d’ADN non-répété, entouré de deux éléments d’ADN répété inversés, les éléments imr (innermost repeats). La séquence de tous les éléments du domaine central, cnt et imr, est unique sur chaque chromosome, seule l’organisation du domaine central est conservée d’un chromosome à l’autre. Les domaines externes, otr pour outer repeats, sont essentiellement composés d’un nombre variable de copies de deux éléments d’ADN répété, dg et dh.

Chez les métazoaires, l’ADN centromérique est constitué essentiellement de différentes formes d’ADN répété pouvant s’étendre sur plusieurs mégabases. Cette composition constitue un obstacle à leur analyse détaillée, le séquençage et l’assemblage de longues régions d’ADN répété étant difficile. Chez la drosophile par exemple, un seul centromère, celui du minichromosome Dp1187, a été étudié à l’échelle de la séquence nucléotidique⁵. Il s’étend sur 420 kb divisés en deux régions composées de deux types d’ADN satellite distincts entrecoupés d’éléments transposables.

Chez l’homme, l’ADN répété centromérique est principalement de l’ADN α-satellite (aussi appelé alphoid DNA en anglais), dont le motif unitaire (monomère) fait 171 pb. Ces monomères sont organisés en motifs répétés d’ordre supérieur (higher order repeat ou HOR), alignés de manière ininterrompue dans la même orientation sur des distances allant de 100 kb à 4 Mb. Au sein d’un même chromosome, les HOR sont très homogènes, avec 99.8 % d’identité de séquence, alors que les monomères au sein d’un HOR ne partagent qu’entre 60 et 80 % d’identité. L’ADN α-satellite contient une séquence particulière, la boîte CENP-B (CENP-B Box), de 17 pb, capable de lier la protéine CENP-B et impliquée dans la formation de la chromatine centromérique et l’assemblage du kinétochore.

L’absence de conservation des ADN centromériques a amené la suggestion que la fonction du centromère et sa position sur le chromosome ne sont pas déterminées par la séquence nucléotidique¹. À l’exception de S. cerevisiae, où les éléments CDE susmentionnés suffisent à former un centromère fonctionnel, l’ADN centromérique chez les autres eucaryotes n’apparaît ni nécessaire ni suffisant pour supporter la fonction du centromère : non nécessaire, car un centromère fonctionnel peut se former sur des régions n’offrant aucune similitude avec des séquences centromériques (néocentromères) ; ni suffisant, car la seule présence de séquences de type centromérique ne conduit pas systématiquement à un centromère fonctionnel. Il est aujourd’hui admis que l’identité et la fonction du centromère sont définies épigénétiquement et dépendent d’une structure chromatinienne spécialisée plutôt que de la séquence d’ADN sous-jacente. Contrairement à la séquence d’ADN, la chromatine associée aux centromères présente des caractéristiques relativement bien conservées à travers les eucaryotes.

Organisation de l'ADN centromérique.
Les flèches correspondent aux monomères. Les couleurs indiquent les écarts d'identité (polymorphismes) de séquences. Les HOR sont très semblables, mais les monomères au sein des HOR sont très différents.

La chromatine centromérique

La chromatine au niveau des centromères possède des caractéristiques particulières qui la distinguent à la fois de l'euchromatine et de l'hétérochromatine, si bien qu’on ne peut la qualifier que de centromérique (parfois centrochromatine ou, surtout en anglais, chromatine CEN).

La caractéristique sans doute la plus importante, conservée à travers tous les eucaryotes étudiés, est la présence de la protéine CenH3 (centromeric H3), un variant de l'histone H3 spécifiquement et exclusivement localisé dans la chromatine centromérique. Cette histone (appelée aussi Cse4p chez S. cerevisiae, Cnp1p chez S. pombe, CENP-A chez la plupart des mammifères) permet la formation d’un nucléosome variant dont la structure exacte n’est pas encore clairement établie mais est, dans tous les cas, suffisamment différente de celle d’un nucléosome conventionnel pour conférer à la chromatine centromérique des propriétés distinctes.

D’autres caractéristiques de la chromatine centromérique sont l’hypo-acétylation des histones (une caractéristique fréquemment associée à l’hétérochromatine) et la diméthylation de l'histone H3 sur la lysine-4 (H3K4me2, une marque fréquemment associée aux régions promotrices des gènes).

La chromatine centromérique est généralement flanquée de part et d’autre par de l’hétérochromatine, qualifiée de péricentromérique ou péricentrique. Elle porte les marques typiques de l’hétérochromatine, notamment la di - et tri-méthylation de l’histone H3 sur la lysine-9 (H3K9me2/3) et la présence de la protéine HP1⁶. Elle est également enrichie en variant H2A.Z, un variant de l'histone H2A.

La fondation du kinétochore

La fonction essentielle du centromère est de servir de plate-forme d’assemblage pour le kinétochore lors de la mitose. La protéine CenH3 de la chromatine centromérique est l’un des facteurs clefs de cette fonction. Son absence empêche toute formation du kinétochore, et sa surexpression et sa localisation ectopique entraînent une mauvaise localisation d’une partie au moins des protéines du kinétochore⁷.

CenH3 permet l’assemblage du kinétochore par l’intermédiaire des protéines du complexe CCAN (constitutive centromere-associated network, « réseau [de protéines] constitutivement associé au centromère »), qui reconnaissent la structure particulière des nucléosomes contenant CenH3. Le CCAN représente l’interface entre la chromatine centromérique et le kinétochore interne et permet le recrutement des différents complexes composant le kinétochore.

Chez l'homme, le CCAN peut être divisé en deux sous-complexes : le complexe CENP-A^NAC (CENP-A nucleosome associated complex, « complexe associé au nucléosome CENP-A »), qui comme son nom l’indique est directement en contact avec le nucléosome CENP-A ; et le complexe CENP-A^CAD (CENP-A distal complex), qui interagit non pas directement avec CENP-A mais avec les protéines du complexe CENP-A^NAC. Chez S. cerevisiae et S. pombe, les homologues fonctionnels du CCAN humain sont les complexes Ctf19 et Sim4, respectivement¹⁰. Les homologues du CCAN chez les autres eucaryotes modèles n’ont pas encore été identifiés.

Un centromère qualifie et identifie une région étroite des chromosomes (ou des chromatides), généralement en leur centre, au niveau de laquelle les chromatides sont étroitement liées, et qui porte les kinétochores qui se lient aux fuseaux kinétochoriens lors de la mitose. L'ADN centromériques et les protéines centromériques sont impliqués dans la structure du centromère.

Le centromère et ses deux chromatides:

Dans le schéma d'un chromosome, le centromère est le point où les deux chromatides se touchent et où se fixent les microtubules. Le chromatide est une des deux parties identiques du chromosome après la phase S.

En génétique, le centromère est la construction principale qui, avec les colorants traditionnels, apparaît moins colorée que le reste du chromosome. C'est la zone à travers laquelle le chromosome interagit avec les fibres du fuseau achromatique de prophase à anaphase, à la fois en mitose et en méiose, et est responsable de la réalisation et de la régulation des mouvements chromosomiques ayant lieu pendant ces phases. De plus, le centromère contribue à la nucléation de la cohésion des chromatides sœurs.

Dans la levure de bière Saccharomyces cerevisiae, l'ADN centromérique ne contient que 125 pb et est conservé entre les différents chromosomes. Cependant, l'ADN centromérique dans les métazoaires peut être constitué de mégabases, et ne contient pas de séquences consensus facilement identifiables. Malgré les différences entre l'ADN centromérique des levures et des métazoaires, le kinétochore est assemblé dans les deux cas sur des nucléosomes centromériques contenant une forme spécialisée d'histone H3 (Cse4p chez la levure ou son homologue CENP-A chez les métazoaires).

L'ADN centromérique est organisé sous forme d'hétérochromatine constitutive, qui reste condensée dans presque toutes les cellules somatiques d'un organisme. Ces régions sont pauvres en gènes et peuvent induire la répression de l'expression génique de régions adjacentes de manière épigénétique. Ce phénomène est appelé "panachure par effet de position" (PEV, variation par effet de position). L'apparition occasionnelle de centromères "neufs" (néocentromères) suggère que plus que la séquence d'ADN proprement dite, la principale caractéristique des centromères est l'organisation structurelle des domaines centromériques. La sélection du centromère peut également être le résultat d'un nombre complexe de paramètres, tels que le moment de sa réplication, la position dans le noyau de la cellule, ainsi que d'autres caractéristiques héréditaires de la structure de la chromatine.

Le centromère a un comportement différent pendant l'anaphase mitotique et l'anaphase I de la méiose, de sorte que pendant l'anaphase mitotique, les chromatides sœurs se séparent des pôles opposés (ségrégation) tandis que dans l'anaphase I de la méiose, il est séparé aux pôles opposés des chromosomes homologues complets, chacun constitué de deux chromatides.

Position du centromère:

Chaque chromosome a deux bras, l'un long (appelé q) et l'autre court (appelé p) séparés par le centromère, qui sont connectés de manière métacentrique, submétacentrique, acrocentrique, holocentrique ou télocentrique : Métacentrique: un chromosome métacentrique est un chromosome dont le centromère est au milieu du chromosome, donnant lieu à des bras de longueur égale. Quatre paires de chromosomes humains ont une structure métacentrique, 1, 3, 19 et 20.Submétacentrique: un chromosome submétacentrique est un chromosome dans lequel le centromère est situé de telle manière qu'un bras est légèrement plus court que l'autre. La plupart des chromosomes humains sont sous-métacentriques, à l'exception des chromosomes 1, 3, 19, 20 et X métacentriques et de 13, 14, 15, 21 et 22 acrocentriques. De plus, le chromosome Y est parfois considéré comme submétacentrique, bien que d'autres le décrivent comme acrocentrique sans satellite. Acrocentrique: un chromosome acrocentrique est un chromosome dans lequel le centromère est le plus proche de l'un des télomères, ce qui donne un bras très court (p) et un bras long (q). Parmi les 23 paires de chromosomes humains, les chromosomes 13, 14, 15, 21 et 22 sont acrocentriques et jouent le rôle d'organisateurs nucléolaires. Télocentrique: même si le concept est largement accepté et distribué dans la communauté scientifique. En réalité, il n'existe pas de chromosome télocentrique. Soi-disant dans ce type de chromosomes, le centromère est situé à une extrémité de celui-ci, mais la région télocentrique ne permet pas que, de manière moléculaire, il existe une autre structure se terminant au chromosome. En fait, le raccourcissement du télomère ou son absence totale provoque une instabilité des chromosomes et la translocation Robertsonienne qui en résulte. Par conséquent, le terme télocentrique est incorrect et doit être considéré comme un terme subtélocentrique, ce qui implique que le télomère se situe à l'extrémité, de sorte qu'il n'est pas visible et que le centromère est invariablement par la suite. Aucun des chromosomes humains n'a cette caractéristique; mais, par exemple, les 40 chromosomes de la souris commune sont subtélocentriques.

Le centromère chez Saccharomyces cerevisiae:

Les analyses effectuées sur S. cerevisiae pour isoler l'ADN centromérique (ADN CEN) de tous ses chromosomes ont montré qu'il existe dans tous les centromères de levure étudiées.

Dans la chromatine sous sa forme native, l'ADN CEN est un segment de 220-250 pb protégé de l'action des nucléases et flanqué aux deux extrémités par des sites hypersensibles à la coupe et un ensemble de nucléosomes hautement organisés, contenant l'histone spécialisée Cse4p (l'homologue dans les levures de CENP-A) au lieu de H3.

Les mutations dans les régions I et II réduisent mais n'inactivent pas la fonction du centromère, alors que celles qui se produisent dans la région III l'inactivent complètement. Dans les mutants de délétion de la région CDEII, la fonction centromérique peut être restaurée presque complètement en insérant une séquence d'ADN composée uniquement d'AT de manière aléatoire et de taille équivalente. Par conséquent, dans cette région, les facteurs critiques pour une ségrégation chromosomique correcte sont le contenu en AT et la longueur de l'ADN, plutôt que la séquence nucléotidique, peut-être parce qu'ils influencent la conformation de l'ADN centromérique.

CDEIII est la zone de liaison du complexe protéique CBF3 (par Centromere Binding Factor), composée des protéines Ndc10p, Cep3p, Ctf13p et Skp1p 8 (cette protéine - également appelée p23 SKP1 - fait également partie du complexe SCUL CDC4 impliqué dans les processus de dégradation induits par l'ubiquitine nécessaire à la progression dans le cycle cellulaire). En l'absence de CBF3, le kinétochore n'est pas fonctionnel, à la fois in vivo et in vitro, et toutes les protéines de kinétochore connues, y compris Cse4p, montrent une association altérée avec le centromère. Cependant, la liaison de CBF3 à l'ADN centromérique in vivo ne nécessite pas de Cse4p. Par conséquent, la liaison spécifique de CBF3 à la région CDEIII participe à la définition de la localisation du kinétochore dans la levure. Une autre protéine essentielle à la viabilité des cellules de levure est CBF5p, qui co-purifie avec le complexe CBF3 dans des conditions de faible stringence. Cette protéine se lie également aux microtubules in vitro et semble jouer un rôle important dans la transition G/S du cycle cellulaire, car l'élimination de CBF5p bloque la division cellulaire avant la réplication de l'ADN.

Par ailleurs, CDEI est le site de liaison d'un homodimère Cbf1p. Cbf1p n'est pas essentiel à la fonction du kinétochore, mais induit un repliement de l'ADN et peut donc contribuer à la structure supérieure du centromère. Cbf1p a une similarité structurelle et une identité de séquence limitée à CENP-B, qui se lie à l'ADN du centromère des métazoaires et induit également le repliement de l'ADN.

Mif2p est une protéine essentielle chez la levure, semblable à la CENP-C des métazoaires, dont l'élimination entraîne des défaillances de la ségrégation des chromosomes, un retard de la mitose et des microtubules à morphologie aberrante. MIF2 interagit génétiquement avec trois des gènes codant pour les protéines centromériques: CBF1, CBF3a et CBF3b. Bien que la liaison de Mif2 au centromère dépende de Ndc10, sa localisation dans l'ADN du CEN est grandement diminuée chez les mutants de Cse4. Mif2 présente un domaine acide et un autre domaine riche en proline, appelé «crochet AT» (crochet AT), un motif commun aux protéines qui se lient aux séquences d'ADN riches en AT (telles que protéines HMGI (Y) chez les mammifères), ce qui suggère que Mif2 se lie à la région CDEII.

Chez S. cerevisiae, l'ADN centromérique se réplique à un stade précoce de la phase S peut-être parce qu'il est nécessaire de répliquer l'ADN centromérique pour initier l'assemblage des frères kinétochores.

Le centromère chez Schizosaccharomyces pombe:

L'ADN centromérique de Schizosaccharomyces pombe, la levure à fission, est considérablement plus complexe que celui de S. cerevisiae et partage certaines propriétés avec les centromères régionaux des eucaryotes supérieurs. Le centromère de S. pombe est composé de 40 à 100 kb d'ADN organisé dans différents types de répétitions spécifiques des centromères (répétitions de type K), lesquelles sont à leur tour organisées en une grande répétition inversée. Comme chez les eucaryotes supérieurs, l'organisation des centromères dans la levure à fission varie considérablement entre chromosomes différents et entre souches étroitement apparentées. Le centre de la répétition inversée, le noyau central, contient une séquence de 4 à 7 kb qui est fondamentale pour la fonction centromérique. Les régions centrales du centromère de S. pombe sont organisées selon une structure inhabituelle, qui dépend de l'existence d'un élément dans les répétitions de type K (appelé amplificateur centromérique) et qui est fondamental pour la fonction centromère. Les régions K et le noyau central sont les cibles des mécanismes épigénétique qui affectent la fonction du centromère in vivo. Par ailleurs, il existe une redondance fonctionnelle à la fois entre les répétitions de type K et dans le noyau central.

La fonction précise des séquences d'ADN répétées dans le centromère n'est pas très claire, mais a probablement une fonction structurelle dans l'appariement et la ségrégation chromosomiques et ne produit qu'indirectement un silençage transcriptionnel. Les séquences répétées les plus externes des centromères de Schizosaccharomyces pombe sont hétérochromatiques et sont nécessaires à l'assemblage d'un centromère actif. Des transcriptions sont générées à partir de ces séquences répétées, qui sont traitées par les composants de la machinerie à ARNi et mesurent le silence de la chromatine.

Les centromères des métazoaires:

La détermination des centromères de métazoaires est une tâche difficile et évasive. Chez les animaux et les plantes, les centromères sont inclus dans les régions à ADN satellite très répété, ce qui est difficile à analyser même avec les méthodes de cartographie les plus puissantes. Ces régions de l'ADN satellite sont incluses dans des régions de l'hétérochromatine constitutive, qui reste silencieuse dans la plupart des cellules somatiques d'un organisme. L'absence majoritaire de gènes actifs dans les régions centromériques est une caractéristique qui semble avoir été acquise progressivement au cours de l'évolution.

ADN CEN et évolution:

Le processus de ségrégation des chromosomes est soumis à une forte pression évolutive, car la perte ou le gain de chromosomes (une situation appelée aneuploïdie) peut produire des altérations phénotypiques importantes, telles que le syndrome de Down chez l'homme. Par conséquent, le mécanisme responsable de la distribution des chromosomes entre les cellules filles lors de la division cellulaire est extrêmement sophistiqué et soumis à un contrôle strict (voir Point de contrôle de la mitose). Les centromères sont les régions chromosomiques sur lesquelles sont assemblés les kinétochores, qui sont les structures protéiques responsables de l'ancrage des chromosomes au fuseau mitotique, et donc de la zone responsable du mouvement chromosomique et de sa régulation. Cependant, malgré cela, les séquences d'ADN qui définissent les séquences centromériques sont très mal conservées et évoluent rapidement, même parmi les espèces étroitement apparentées. Cela ne signifie pas que les séquences d'ADN du centromère sont hypermutables, mais que les variants des séquences sont fixés par expansion et contraction et peuvent apparaître de novo dans de nouveaux sites (néocentromères). Ces modifications de l'ADN centromérique sont dues à l'existence de différents processus de mutation, tels que des erreurs de réplication de l'ADN, des échanges non équilibrés, une transposition et une excision. Les protéines centromériques présentent également des signes inattendus d'évolution rapide. Pour toutes ces raisons, il a été suggéré que le conflit génétique est au cœur de cette évolution rapide.

Il semble que l'architecture d'un vecteur de niveau supérieur (matrice) observée dans les centromères humains ait pu apparaître récemment dans un centromère de l'évolution des primates (autour de la séparation gorille-orang-outan) et se propager aux autres. Chromosomes par transposition. 37 Par la suite, des échanges ou des conversions de gènes inégaux ont amplifié les vecteurs de niveau supérieur, donnant lieu à l'architecture de vecteurs centromériques de niveau supérieur, spécifique à l'espèce humaine et observée dans différents chromosomes humains. En outre, certaines variantes ont été générées par une mutation qui a été fixée dans certains centromères. La comparaison des unités monomériques et des unités vectorielles supérieures trouvées dans les centromères chromosomiques orthologues (par exemple, entre les chimpanzés et les humains) a permis de découvrir de manière surprenante que les vecteurs centromériques d'espèces différentes divergent davantage entre les unités péricentrique. Cette observation est anti-intuitif, car le vecteur ADN satellite centromérique est le centromère fonctionnel et est soumis à une forte pression de sélection, alors que les régions d'hétérochromatine péricentrique ne le sont pas. L'observation est donc paradoxale: les unités d'ADN satellite fortement limitées au sein d'une espèce ont rapidement évolué d'une espèce à l'autre.

Ce paradoxe nous a amenés à penser qu'une force sélective devrait diriger la fixation rapide des mutations dans les vecteurs centromériques, en imposant un biais pour maintenir les mutations, augmentant ainsi les taux de mutation du vecteur complet. Il a été suggéré que cette force sélective pourrait être l'avantage conféré aux centromères lors de la méiose féminine, ou "dérive centromérique": nouvelles variations de la séquence du satellite a, une nouvelle organisation ou simplement une augmentation de la quantité de satellites α offre une plus grande possibilité d'incorporation de CENP-A et donc une plus grande capacité de liaison des microtubules. L'asymétrie de la tétrade méiotique de la femme offre aux chromosomes une opportunité de se disputer l'inclusion dans le noyau de l'ovocyte par une orientation favorable lors de la méiose. Les centromères qui profitent de cette opportunité dans la méiose me "gagnent", et un léger avantage dans chaque méiose féminine suffit à fixer une variation de centromère favorable.

D'autre part, bien que la dérive centromérique puisse générer un avantage sélectif dans la méiose féminine, elle peut également produire des défauts dans la méiose masculine, puisqu'un centromère muté sera associé à un autre centromère normal, générant une différence de tension pouvant activer le point de mitose, provoquant la mort cellulaire et avec elle une diminution de la fertilité masculine. Une façon de contrecarrer cet effet chez les hommes atteints de méiose serait l'apparition de mutations dans les protéines centromériques avec une altération de leur capacité à se lier à l'ADN et à équilibrer la tension centromérique. La protéine candidate la plus probable est la CENP-A.

Si ce processus se produit dans deux populations isolées de la même espèce, les configurations de l'ADN satellite et de la CENP-A vont rapidement diverger. Dans chaque population, CENP-A évoluera pour supprimer les effets néfastes de l'évolution de l'ADN satellite. De cette manière, les nouvelles variantes de CENP-A seront incompatibles avec l'ADN satellite de l'autre population. Les croisements entre les deux populations entraîneront des défauts chez les hybrides. Par conséquent, le processus évolutif entre CENP-A et l'ADN satellite conduit à l'initiation de l'isolement reproductif entre les deux populations (voir aussi les mécanismes de l'isolement reproductif). Cela signifie que l'évolution centromérique a la conséquence inévitable de la spéciation.