NUCLÉOLE: CARACTÉRISTIQUES, STRUCTURE, MORPHOLOGIE ET FONCTIONS - LA BIOLOGIE - 2025

Le nucléole est une structure cellulaire non délimitée par une membrane, étant l'une des zones les plus proéminentes du noyau. Il est observé comme une région plus dense dans le noyau et est subdivisé en trois régions: composant fibrillaire dense, centre fibrillaire et composant granulaire.

Il est principalement responsable de la synthèse et de l'assemblage des ribosomes; cependant, cette structure a également d'autres fonctions. Plus de 700 protéines ont été trouvées dans le nucléole qui ne sont pas impliquées dans les processus de biogenèse des ribosomes. De la même manière, le nucléole est impliqué dans le développement de différentes pathologies.

Le premier chercheur à observer la zone nucléole fut F. Fontana en 1781, il y a plus de deux siècles. Puis, au milieu des années 1930, McClintock a pu observer une telle structure dans ses expériences avec Zea mays. Depuis, des centaines de recherches se sont concentrées sur la compréhension des fonctions et de la dynamique de cette région du noyau.

Caractéristiques générales

Le nucléole est une structure proéminente située dans le noyau des cellules eucaryotes. C'est une «région» en forme de sphère, puisqu'il n'y a aucun type de biomembrane qui la sépare du reste des composants nucléaires.

Il peut être vu au microscope comme une sous-région du noyau lorsque la cellule est à l'interface.

Il est organisé en régions appelées NORs (pour son acronyme en anglais: chromosomiques nucléolaires organisateurs régions), où se trouvent les séquences codant pour les ribosomes.

Ces gènes se trouvent dans des régions spécifiques des chromosomes. Chez l'homme, ils sont organisés en tandem dans les régions satellites des chromosomes 13, 14, 15, 21 et 22.

Dans le nucléole, la transcription, le traitement et l'assemblage des sous-unités qui composent les ribosomes se produisent.

En plus de sa fonction traditionnelle, le nucléole est lié aux protéines suppresseurs de tumeurs, aux régulateurs du cycle cellulaire et même aux protéines de virus.

Les protéines nucléoliques sont dynamiques et leur séquence semble avoir été conservée tout au long de l'évolution. Parmi ces protéines, 30% seulement ont été associées à la biogenèse des ribosomes.

Structure et morphologie

Le nucléole est divisé en trois composants principaux, reconnaissables par microscopie électronique: le composant fibrillaire dense, le centre fibrillaire et le composant granulaire.

Généralement, il est entouré de chromatine condensée, appelée hétérochromatine. Dans le nucléole, les processus de transcription de l'ARN ribosomal, de traitement et d'assemblage des précurseurs ribosomiques se produisent.

Le nucléole est une région dynamique, où les protéines que les composants peuvent rapidement associer et se séparer des composants nucléolaires, créant un échange continu avec le nucléoplasme (substance gélatineuse interne au noyau).

Chez les mammifères, la structure du nucléole varie avec les étapes du cycle cellulaire. En prophase on observe une désorganisation du nucléole et il se rassemble à la fin du processus mitotique. Une activité transcriptionnelle maximale dans le nucléole a été observée dans les phases S et G2.

L'activité de l'ARN polymérase I peut être affectée par différents états de phosphorylation, modifiant ainsi l'activité du nucléole au cours du cycle cellulaire. Le silence pendant la mitose se produit en raison de la phosphorylation de différents éléments tels que SL1 et TTF-1.

Cependant, ce modèle n'est pas courant dans tous les organismes. Par exemple, dans la levure, le nucléole est présent - et actif - pendant tout le processus de division cellulaire.

Centres fibrillaires

Les gènes qui codent pour l'ARN ribosomal sont situés dans les centres fibrillaires. Ces centres sont des régions claires entourées de composants fibrillaires denses. Les centres fibrillaires sont de taille et de nombre variables, selon le type de cellule.

Un certain modèle a été décrit en ce qui concerne les caractéristiques des centres fibrillaires. Les cellules à forte synthèse de ribosomes ont un faible nombre de centres fibrillaires, tandis que les cellules à métabolisme réduit (comme les lymphocytes) ont des centres fibrillaires plus grands.

Il existe des cas spécifiques, comme dans les neurones à métabolisme très actif, dont le nucléole a un centre fibrillaire géant, accompagné de petits centres plus petits.

Composant fibrillaire dense et composant granulaire

Le composant fibrillaire dense et les centres fibrillaires sont noyés dans le composant granulaire, dont les granules ont un diamètre de 15-20 nm. Le processus de transcription (passage de la molécule d'ADN en ARN, considéré comme la première étape de l'expression génique) se produit aux limites des centres fibrillaires et dans le composant fibrillaire dense.

Le traitement du pré-ARN ribosomal se produit dans le composant fibrillaire dense et le processus s'étend au composant granulaire. Les transcrits s'accumulent dans le composant fibrillaire dense et les protéines nucléolaires sont également localisées dans le composant fibrillaire dense. C'est dans cette région que se produit l'assemblage des ribosomes.

Une fois ce processus d'assemblage de l'ARN ribosomal avec les protéines nécessaires terminé, ces produits sont exportés vers le cytoplasme.

Le composant granulaire est riche en facteurs de transcription (SUMO-1 et Ubc9 en sont quelques exemples). Typiquement, le nucléole est entouré d'hétérochromatine; On pense que cet ADN compacté joue un rôle dans la transcription de l'ARN ribosomal.

Chez les mammifères, l'ADN ribosomal des cellules est compacté ou réduit au silence. Cette organisation semble être importante pour la régulation de l'ADN ribosomal et pour la protection de la stabilité génomique.

Région organisatrice nucléolaire

Dans cette région (NOR), les gènes (ADN ribosomal) qui codent pour l'ARN ribosomal sont regroupés.

Les chromosomes qui composent ces régions varient selon les espèces étudiées. Chez l'homme, ils se trouvent dans les régions satellites des chromosomes acrocentriques (le centromère est situé près de l'une des extrémités), plus précisément par paires 13, 14, 15, 21 et 22.

Les unités d'ADN ribosomiques sont constituées de la séquence transcrite et d'un espaceur externe nécessaire à la transcription par l'ARN polymérase I.

Dans les promoteurs de l'ADN ribosomique, deux éléments peuvent être distingués: un élément central et un élément situé en amont (en amont).

Caractéristiques

Machines de formage d'ARN ribosomal

Le nucléole peut être considéré comme une usine avec tous les composants nécessaires à la biosynthèse des précurseurs de ribosomes.

L'ARN ribosomal ou ribosomal (acide ribonucléique), couramment abrégé en ARNr, est un composant des ribosomes et participe à la synthèse des protéines. Cette composante est vitale pour toutes les lignées d'êtres vivants.

L'ARN ribosomal s'associe à d'autres composants de nature protéique. Cette liaison aboutit à des présubunités ribosomales. La classification de l'ARN ribosomal est généralement donnée accompagnée d'une lettre «S», qui indique les unités de Svedberg ou le coefficient de sédimentation.

Organisation des ribosomes

Les ribosomes sont constitués de deux sous-unités: la majeure ou grande et la petite ou mineure.

L'ARN ribosomal des procaryotes et des eucaryotes est différenciable. Chez les procaryotes, la grande sous-unité est 50S et est composée d'ARN ribosomiques 5S et 23S, de même la petite sous-unité est 30S et est composée uniquement d'ARN ribosomal 16S.

En revanche, la sous-unité principale (60S) est composée d'ARN ribosomiques 5S, 5,8S et 28S. La petite sous-unité (40S) est composée exclusivement d'ARN ribosomal 18S.

Dans le nucléole se trouvent les gènes qui codent pour les ARN ribosomiques 5.8S, 18S et 28S. Ces ARN ribosomiques sont transcrits en une seule unité dans le nucléole par l'ARN polymérase I. Ce processus aboutit à un précurseur d'ARN 45S.

Ledit précurseur d'ARN ribosomal (45S) doit être clivé en ses composants 18S, appartenant à la petite sous-unité (40S) et aux 5.8S et 28S de la grande sous-unité (60S).

L'ARN ribosomal manquant, 5S, est synthétisé à l'extérieur du nucléole; Contrairement à ses homologues, le processus est catalysé par l'ARN polymérase III.

Transcription de l'ARN ribosomal

Une cellule a besoin d'un nombre élevé de molécules d'ARN ribosomal. Il existe plusieurs copies des gènes qui codent pour ce type d'ARN pour répondre à ces exigences élevées.

Par exemple, sur la base des données trouvées dans le génome humain, il existe 200 copies pour les ARN ribosomiques 5.8S, 18S et 28S. Pour l'ARN ribosomal 5S, il y a 2000 copies.

Le processus commence avec l'ARN ribosomal 45S. Cela commence par enlever l'entretoise près de l'extrémité 5 ′. Lorsque le processus de transcription est terminé, l'espaceur restant situé à l'extrémité 3 'est retiré. Après des délétions ultérieures, l'ARN ribosomal mature est obtenu.

En outre, le traitement de l'ARN ribosomal nécessite une série de modifications importantes de ses bases, telles que des processus de méthylation et de conversion de l'uridine en pseudouridine.

Par la suite, l'ajout de protéines et d'ARN situés dans le nucléole se produit. Parmi ceux-ci figurent les petits ARN nucléolaires (ARNp), qui participent à la séparation des ARN ribosomiques dans les produits 18S, 5.8S et 28S.

Les PRNA possèdent des séquences complémentaires des ARN ribosomiques 18S et 28S. Par conséquent, ils peuvent modifier les bases de l'ARN précurseur, méthylant certaines régions et participant à la formation de la pseudouridine.

Assemblage du ribosome

La formation de ribosomes implique la liaison de l'ARN ribosomique parent, avec les protéines ribosomales et 5S. Les protéines impliquées dans le processus sont transcrites par l'ARN polymérase II dans le cytoplasme et doivent être transportées vers le nucléole.

Les protéines ribosomales commencent à s'associer aux ARN ribosomiques avant que le clivage de l'ARN ribosomal 45S ne se produise. Après séparation, les protéines ribosomales restantes et l'ARN ribosomal 5S sont ajoutés.

La maturation de l'ARN ribosomal 18S se produit plus rapidement. Enfin, les «particules préribosomales» sont exportées vers le cytoplasme.

Autres fonctions

En plus de la biogenèse des ribosomes, des recherches récentes ont montré que le nucléole est une entité multifonctionnelle.

Le nucléole est également impliqué dans le traitement et la maturation d'autres types d'ARN, tels que les snRNP (complexes protéine-ARN qui se combinent avec l'ARN pré-messager pour former le complexe d'épissage ou d'épissage) et certains ARN de transfert., microARN et autres complexes de ribonucléoprotéines.

Grâce à l'analyse du protéome du nucléole, des protéines associées au traitement de l'ARN pré-messager, au contrôle du cycle cellulaire, à la réplication et à la réparation de l'ADN ont été trouvées. La constitution protéique du nucléole est dynamique et change dans différentes conditions environnementales et stress cellulaire.

De même, il existe une série de pathologies associées au mauvais fonctionnement du nucléole. Il s'agit notamment de l'anémie de Diamond-Blackfan et de troubles neurodégénératifs tels que la maladie d'Alzheimer et de Huntington.

Chez les patients atteints de la maladie d'Alzheimer, les niveaux d'expression du nucléole changent par rapport aux patients sains.

Le nucléole et le cancer

Plus de 5000 études ont montré la relation entre la prolifération des cellules malignes et l'activité du nucléole.

Le but de certaines recherches est de quantifier les protéines nucléoliques à des fins de diagnostic clinique. En d'autres termes, le but est d'évaluer la prolifération du cancer en utilisant ces protéines comme marqueur, spécifiquement les sous-unités B23, nucléoline, UBF et ARN polymérase I.

D'autre part, il a été constaté que la protéine B23 est directement liée au développement du cancer. De même, d'autres composants nucléolaires sont impliqués dans le développement de pathologies telles que la leucémie aiguë promyélocytaire.

Le nucléole et les virus

Il existe des preuves suffisantes pour affirmer que les virus, à la fois d'origine végétale et animale, ont besoin de protéines nucléoliques pour réaliser le processus de réplication. Il y a des changements dans le nucléole, en termes de morphologie et de composition protéique, lorsque la cellule subit une infection virale.

Un nombre significatif de protéines a été trouvé qui proviennent de séquences d'ADN et d'ARN qui contiennent des virus et sont localisées dans le nucléole.

Les virus ont différentes stratégies qui leur permettent de se localiser dans cette région sous-nucléaire, comme les protéines virales qui contiennent des «signaux» qui les conduisent au nucléole. Ces balises sont riches en acides aminés arginine et lysine.

La localisation des virus dans le nucléole facilite leur réplication et, en outre, elle semble être une condition pour leur pathogénicité.

Références

1. Boisvert, FM, van Koningsbruggen, S., Navascués, J., et Lamond, AI (2007). Le nucléole multifonctionnel. Revues de la nature Biologie cellulaire moléculaire, 8 (7), 574–585.
2. Boulon, S., Westman, BJ, Hutten, S., Boisvert, F.-M., et Lamond, AI (2010). Le nucléole sous stress. Cellule moléculaire, 40 (2), 216–227.
3. Cooper, CM (2000). La cellule: une approche moléculaire. 2e édition. Sinauer Associates. Sirri, V., Urcuqui-Inchima, S., Roussel, P., et Hernandez-Verdun, D. (2008). Nucléole: le corps nucléaire fascinant. Histochimie et biologie cellulaire, 129 (1), 13–31.
4. Horký, M., Kotala, V., Anton, M. et WESIERSKA - GADEK, J. (2002). Nucléole et apoptose. Annales de la New York Academy of Sciences, 973 (1), 258-264.
5. Leung, AK et Lamond, AI (2003). La dynamique du nucléole. Critical Reviews ™ in Eucaryotic Gene Expression, 13 (1).
6. Montanaro, L., Treré, D. et Derenzini, M. (2008). Nucléole, ribosomes et cancer. L'American Journal of Pathology, 173 (2), 301–310.
7. Pederson, T. (2011). Le nucléole. Perspectives de Cold Spring Harbor en biologie, 3 (3), a000638.
8. Tsekrekou, M., Stratigi, K., et Chatzinikolaou, G. (2017). Le nucléole: dans la maintenance et la réparation du génome. Journal international des sciences moléculaires, 18 (7), 1411.