Les chromosomes

Les chromosomes sont de gros "corps colorables" allongés (de quelques micromètres de long pour 0,7 µm de diamètre de chromatide) qui apparaissent dans le noyau des cellules eucaryotes lors de la division cellulaire.

chromo (en grec) = couleur
soma (en grec) = corps

Remarque: certains chromosomes sont sphériques et non pas allongés.

On devrait vraiment éviter de parler de chromosomes pour le matériel génétique de la cellule procaryote (il vaut mieux parler de nucléoïde pour désigner la structure qui est partiellement visible au ME mais pas au MO !!! - voir cours de 1èreS) ainsi que pour le matériel génétique des organites de la cellule eucaryote (mitochondries et chloroplastes).

1. Les chromosomes sont colorables

Par des détails voir ancien cours de spécialité de TS

Le noyau interphasique (au repos) contient une substance qui peut être colorée très facilement par des colorants basiques : la chromatine.

La chromatine a une forte affinité pour de très nombreux colorants:
- l'hématoxyline la colore en noir
- les colorants basiques (basophilie) comme le bleu de méthylène, le bleu de toluidine ou la pyronine) la colorent en bleu-violet.

La chromatine forme habituellement un enchevêtrement de fibres (en "réseau") mais peut aussi prendre un aspect plus condensé (les zones denses sont appelées "chromocentres").

On peut la mettre en évidence par coloration de Feulgen ou par le test de Brachet (voir ci-contre)

voir image sur le site Bmedia de jussieu

Coloration de Feulgen
(plus précisément: coloration nucléaire de Feulgen):

On réalise cette coloration sur des coupes histologiques ou sur des cellules vivantes mais elle est létale (elle provoque la mort de la cellule).
Une hydrolyse acide est réalisée par l'acide chlorhydrique.
Puis on colore la préparation au réactif de Schiff (fuchisne (colorant rouge) décolorée par l'anhydride sulfureux qui est un réactif spécifique de la fonction aldéhyde (₃HC-C=O) qu'il fait apparaître en recolorant le composé en rouge).

La chromatine se colore en rouge violacé alors que le cytoplasme, le nucléoplasme et le nucléole restent incolores.

C'est la présence du désoxyribose de l'ADN qui est ainsi mise en évidence dans la chromatine.

Test de Brachet :
Témoin : on colore la préparation simultanément avec le vert de méthyl (colorant basique vert) et la pyronine (colorant basique rouge).
Première étape : on fait agir une ribonucléase (enzyme hydrolysant les ARN), ce qui supprime leur affinité pour les colorants basiques comme la pyronine.
Deuxième étape : on colore la préparation avec le double colorant vert de méthyl - pyronine.
Troisième étape : on compare la coloration obtenue avec celle du témoin.

Chez une cellule eucaryote témoin le nucléole et le cytoplasme sont colorés en rouge et la chromatine en vert. Cette affinité différentielle pour les deux colorants basiques n'est pas très clairement expliquée à ma connaissance. Après action de la ribonucléase, la coloration rouge a disparue du cytoplasme et du nucléole alors que la chromatine reste colorée en vert. On peut mettre en relation directe la coloration rouge avec la synthèse d'ARN dans différentes cellules. Plus une cellule réalise des synthèses protéiques plus elle possède d'ARN.

Le ou les nucléoles (nombre presque fixe chez une espèce donnée), sont des inclusions très facilement colorables par les colorants basiques, la plupart du temps sphériques et d'aspect homogène.

Repliement de la fibre chromatidienne dans le noyau interphasique: un article récent de Science présente un modèle obtenu à partir de techniques très sophistiquées de séquençage d'ADN à l'aide de puces (voir page sur les génomes).

pour l'ADN voir le TD acides nucléiques

La chromatine contient environ 50% d'ADN et 50% de protéines.

Dans les coupes ultrafines observées au microscope électronique (MET) la technique est bien différente de la coloration réalisée pour le MO. Mais on garde le terme de chromatine pour désigner la substance osmiophile (qui fixe le tétroxyde d'Osmium, le colorant opaque aux électrons utilisé) MAIS ce n'est pas forcément la même structure que la chromatine vue au MO.
On distingue ainsi l'euchromatine, claire au ME (qui correspondrait à un filament d'ADN actif associé à des nucléosomes régulièrement espacés) et l'hétérochromatine, plus colorable (sombre au ME), très condensée (elle est répliquée tardivement en phase S et contiendrait peu de gènes).

Les histones (protéines basiques) structurent l'ADN dans la chromatine , c'est là qu'on les étudie. Mais on pense qu'elles formeraient aussi le squelette du chromosome, au moins partiellement.

Les protéines acides (non-histones) sont plus ou moins étroitement liées au complexe ADN-histones. Dans la plupart des espèces étudiées, on dénombre plus d'une centaine de variétés moléculaires comprenant une trentaine de protéines intervenant dans la morphologie du chromosome et des protéines impliquées dans la régulation de la synthèse de l'ADN et de l'ARN. Leur effectif varie donc au cours du cycle cellulaire et dans les différents tissus ; leur rôle exact reste encore bien souvent mal défini. (EU "chromosomes")

N.B. Le nucléoïde bactérien est pratiquement composé d'ADN pur (la teneur en protéines est très faible) chez un grand nombre de bactéries. C'est aussi le cas du noyau chez certains eucaryotes comme les Dinoflagellés. le noyau de certains spermatozoïdes comme chez certains Crustacés ou encore l'ADN mitochondrial des protozoaires agent de la maladie du sommeil (Trypanosome). Dans ces cas l'ADN se présente sous la forme de filaments formant des agrégats plus ou moins ordonnés (E.U. article "Cristaux liquides : phases mésomorphes biologiques" Yves Bouligand).

Lors d'une mitose, le nucléoplasme ne contient plus de chromatine (colorable) mais tout l'ADN ne se condense pas en chromosomes. Le ou les nucléoles restent souvent séparés et sont plus ou moins répartis entre les cellules filles. Il existe aussi une certaine quantité d'ADN extrachromosomique chez certaines espèces. Il semble que cet ADN contienne surtout des gènes codant pour des ARN ribosomiaux.

Les chromosomes sont aussi facilement colorables que la chromatine avec des colorants basiques.

Les chromosomes contiennent plus de protéines que d'ADN (1/3 d'ADN et 2/3 de protéines). Les protéines se répartiraient pour moitié en protéines histones et pour moitié en non-histones.

La technique qui consiste à colorer les chromosomes puis à prendre un photo lorsqu'ils sont étalés (en vue polaire en métaphase de mitose, la cellule étant éclatée) pour les dénombrer, est appelée technique de caryotypage. On dit que l'on réalise un caryotype.

Le protocole du caryotypage comprend :
1. obtention de cellules en division (mitose)
2. blocage des divisions par ajout de colchicine (extrait de la racine de colchique) qui désorganise les microtubules du fuseau de division et donc empêche le déplacement des chromosomes
3. traitement osmotique (l'osmose est la loi qui décrit les déplacements de l'eau) pour faire éclater les cellules et étalement des chromosomes
4. fixation, traitement et coloration des chromosomes
5. photographie ou reconnaissance numérique automatique : on choisit uniquement des plaques métaphasiques mitotiques sauf traitement particulier
6. classement par taille et bandes colorées (manuel ou automatique).

Un extrait de film du CERIMES présentant la formation des chromosomes dans un noyau dans un tissu de l'ovule de la plante (endosperme) : http://www.cerimes.education.fr/index.php?page=bi_admin&op1=plan,,,99,,,,,1,4050

Références de l'article: Three-Dimensional Maps of All Chromosomes in Human Male Fibroblast Nuclei and Prometaphase Rosettes
Andreas Bolzer, Gregor Kreth, Irina Solovei, Daniela Koehler, Kaan Saracoglu, Christine Fauth, Stefan Müller, Roland Eils, Christoph Cremer, Michael R. Speicher, Thomas Cremer
PLoS Biology Vol. 3, No. 5, e157 DOI: 10.1371/journal.pbio.0030157

Dans le film ci-contre (<-) il est particulièrement clair que ce sont des territoires nucléaires qui donnent naissance aux chromosomes. Pour des données plus récentes on peut voir par exemple un article en anglais accessible sur le net librement (licence Creative Commons Attribution) est à l'adresse http://biology.plosjournals.org/archive/1545-7885/3/5/pdf/10.1371_journal.pbio.0030157-S.pdf dont voici une figure (Fig. 1-D - réf: 10.1371/journal.pbio.0030157.g001) particulièrement accrocheuse:

Le positionnement des 46 chromosomes (dans un état de décondensation croissant de la gauche vers la droite) d'un fibroblaste humain en reconstitution 3D simulant les résultats obtenus par microscopie
(voir l'article pour des précisions)

J'aime beaucoup la légende ajoutée par La Recherche (brève du n°388, juillet-août 2005, 15): Paysage nucléaire, qui rappelle le paysage épigénétique de Waddington (voir page annexe).

Une référence (accès restreint): Cytogénétique humaine. De 1956 à 2006, R. Berger, Pathologie Biologie 55 (2007) 1-12

* La coloration la plus ancienne pour les chromosomes , réalisée depuis les années 1970-1972, est celle qui permet de mettre en évidence des bandes (méthode du banding en anglais).

Caspersson, utilise la quinacrine qui permet, en lumière fluorescente, de distinguer sur chaque chromosome des régions qui se subdivisent en bandes, caractéristiques d'un chromosome donné

Les chromosomes sont soumis à différents traitements (action de la trypsine ou de tampon SSC à 65°C - Seabright, Summer, voir références dans l'article de l'APBG cité plus haut) puis colorés avec le colorant de Giemsa. On observe des bandes , assez voisines des bandes Q : certaines prenant fortement le colorant (G), d'autre le prenant très peu.

Les bandes R sont obtenues par dénaturation thermique à 85°C (Dutrillaux et Lejeune, voir références dans l'APBG, La fluorescence in situ par hybridation (FISH), M. Lessard, I. Luquet, M.-J. Lebris et A. Herry, Biologie-Géologie (Bulletin de l'APBG), 3-1996, 531-542) et marquent les télomères en sombre à l'inverse des bandes Q et G, avec lesquelles les télomères sont pâles

Le traitement utilisé permet de rendre fortement colorable l'hétérochromatine du centromère de tous les chromosomes.

On s'accorde maintenant à penser que non seulement les bandes chromosomiques ne sont pas des artefacts, mais qu'elles correspondent à des caractéristiques précises résumées ci-dessous :

Bandes G	Bandes R
Riches en AT Pauvres en gènes Pauvres en séquences Alu Riches en séquences Line Réplication tardive Peu de points de cassures correspondant à des remaniements	Riches en GC Riches en gènes Riches en séquences Alu Pauvres en séquences Line Réplication précoce Contiennent la plupart des points de cassure correspondant à des remaniements

Remarque :
il est fréquent que les photographies fournies mélangent les négatifs et les positifs de caryotypes, ce qui est bien évidemment trompeur.
Plus récemment, la présentation vidéo des caryotypes avec de fausses couleurs, augmente encore le risque d'erreur. (Technique à ne pas confondre avec la FISH ou peinture chromosomique qui sera présentée plus loin)

* Le caryotype de l'homme comprend 23 paires de chromosomes

22 paires d'autosomes (chromosomes qui ont deux paires ayant LES MÊMES BANDES):

A (paires 1, 2 et 3), chaque chromosome pouvant être reconnu par les bandes colorées
B (paires 4 et 5), les chromosomes étant impossibles à distinguer par la seule méthode des bandes
C (paires 6 à 12), le 9 peut porter une constriction secondaire; l'X peut se confondre avec certains chromosomes de ce groupe (dans la méthode des bandes)
D (paires 13, 14 et 15), ne peuvent être identifiés que par autoradiographie ou par FISH
E (paires 16, 17 et 18), sont tous les trois identifiables par les bandes
F (paires 19 et 20), impossibles à distinguer par les seules bandes
G (paires 21 et 22), identifiables par les bandes, l'Y pouvant se confondre avec un chromosome du groupe G

1 paire de gonosomes (paire 23): ou chromosomes sexuels ; ils ont les mêmes bandes chez la femme (XX) mais ni la même taille ni les mêmes bandes chez l'homme (XY)

* Depuis 1976 on utilise une technique de coloration en bandes à haute résolution.

On passe de 300 à 600-800 bandes par caryotype haploïde. Du point de vue physique c'est un étirement du chromosome qui permet de séparer les bandes. Mais là encore, on ne connaît rien de plus sur la signification de ces bandes. Ces techniques permettent des découvertes de micro-délétions (par exemple la microdélétion del (13) q13-14 associée au rétinoblastome). Une bande moyenne correspond à 5 à 10 millions de paires de bases.

* Depuis les années 1985-1990 on sait marquer chaque chromosome avec des sondes spécifiques fluorescentes de couleurs différentes (technique de la FISH: Fluorescence In Situ par Hybridation), ce qui permet de faire un dénombrement rapide automatisé.

Pour ce rendre compte du développement de la reconnaissance automatique des caryotypes (normaux et anomalies de caryotypes) on peut visiter par exemple la page de la société Alphelys : http://www.alphelys.com/site/fr/ pBICY_Cytogenetique.htm

On sait marquer chaque chromosome par des sondes spécifiques de certaines régions du chromosome (centromère, télomères...). On a ensuite trouvé des substances fluorescentes de différentes couleurs. Il a suffit d'associer ces sondes à ces marqueurs colorés pour obtenir un système de marquage qui se prêtait à l'automatisation.

Couplés à des techniques classiques de coloration de bandes (banding en anglais) on a maintenant des outils commerciaux de caryotypage.

Les techniques de FISH ont grandement évolué en 20 ans et elles sont utilisées couplées aux analyses de bandes, à la consultation des bases de données... et la résolution de la cartographie chromosomique est en passe de rejoindre celle obtenue par génie génétique sur des molécules d'ADN extraites.

Une référence (accès restreint): Cytogénétique humaine. De 1956 à 2006, R. Berger, Pathologie Biologie 55 (2007) 1-12

* De nombreux sites fragiles ont été recensés dans les chromosomes

2. La structure des chromosomes n'est pas connue avec certitude

Le modèle le plus habituel présente le chromosome comme une structure de compaction d'une UNIQUE gigantesque molécule d'ADN enroulée autour de petits cylindres (les nucléosomes) eux-mêmes compactés en une fibre, puis les fibres torsadées en boucles, les boucles associées en rosettes pour finir par donner une fibre chromatidique d'environ 700 nm de diamètre, fortement colorable.

Des électronographies de structures de chromosomes "éclatées" sont données pour "preuve" de la présence d'une unique molécule.

Les modèles "alternatifs" de la structure chromosomique proposent une structure répétitive de petits ADN en boucles.

Les éléments qui suivent sont placés ici dans le but de souligner qu'ils dépendent fortement de l'interprétation du chromosome comme structure de compaction d'une molécule d'ADN par chromatide. Dans le cadre d'un autre modèle les données du cycle cellulaire seraient à reprendre différemment. Quelques arguments sont donnés dans l'article chromosomes de l'Encyclopedia Universalis (v 12) mais ils ne seront pas repris ici ; il suffit à un élève de savoir que la présence d'une seule molécule d'ADN n'est pas une certitude.

Voir page sur la multiplication des cellules eucaryotes.

Avant chaque division les molécules d'ADN de la cellule eucaryote doivent être dupliquées (c'est la réplication). Cette augmentation de la quantité d'ADN par cellule a lieu lors de l'interphase (phase de repos du noyau).

Lors de la mitose (phase de division du noyau) les chromosomes apparaissent.

On peut donc relier les différentes phases du noyau au cours du cycle cellulaire (temps séparant deux divisions successives) aux mécanismes moléculaires qui seront vus en 1èreS. Les noms des phases de l'interphase (G1, S, G2) ne sont pas à mémoriser en seconde.

3. Les chromosomes sont déplacés dans la cellule grâce à des microtubules

non traité à ce niveau d'enseignement

4. Les chromosomes se scindent en deux à l'anaphase

non traité à ce niveau d'enseignement

5. Les chromosomes s'accolent à la prophase de la première division de méiose et forment des complexes synaptonémaux

non traité à ce niveau d'enseignement

6. Le rôle des chromosomes est encore mystérieux

Deux rôles classiques :

* les chromosomes sont le support des particules héréditaires (gènes héréditaires) dans la théorie mendelienne-morganienne de l'hérédité

voir cours de TS, spécialité

* les chromosomes ne sont que le système d'emballage de l'ADN qui est la molécule-clé de la compréhension du fonctionnement chimique de la cellule (le gène moléculaire comme unité fonctionnelle de la machinerie chimique du vivant)

voir cours de 1èreS sur le rôle de l'ADN

Des pistes cytologiques moins conformistes :

* les chromosomes sont de vraies structures spécifiques des cellules eucaryotes qui portent en elles la compréhension de la division cellulaire (explications structurales de la mitose...; compréhension des chromosomes comme des éléments spectraux, figures stables de la dynamique de division...)

voir cours de seconde §2.4.1

extrait de René Thom, Stabilité structurelle et morphogenèse; essai d'une théorie générale des modèles, stabilité.pdf, 1968:
«(p 215) Je ne prétends certes pas que les recherches actuelles en Biologie moléculaire soient inutiles ; bien au contraire, elles sont indispensables, car elles seules permettront de reconstituer la dynamique sous-jacente à la morphologie biochimique qu'elles décrivent. Notre ignorance est trop grande des mécanismes qui régissent les associations macromoléculaires pour oser faire fi de l'expérience et de ses données ; qui aurait pu prévoir a priori la constitution et le comportement des chromosomes, pour ne parler que de l'énigme numéro un de la dynamique biologique ? Mais je voudrais simplement souligner le point de vue suivant ; depuis la découverte des lois de Mendel et les progrès de l'analyse des macromolécules, on a eu tendance à sous-estimer l'aspect dynamique et continu des phénomènes vitaux, en surestimant l'importance des chromosomes considérés comme les éléments directeurs de tout le métabolisme vital.
J'aimerais, quant à moi, considérer les chromosomes comme des organites en tout point semblables aux autres et dont le métabolisme ambiant assure à la fois la stabilité, la duplication et les éventuelles variations ; dans le programme général ici proposé qui consiste à interpréter dynamiquement les formes de l'ultrastructure cellulaire, on se heurte à une difficulté bien connue ; nous ignorons en effet totalement la nature des forces qui assurent le fonctionnement des organites cellulaires, qui causent la mitose, la méiose, le crossing-over etc. Il ne faut pas s'étonner de notre ignorance ; si l'on songe aux difficultés que rencontre l'étude mathématique d'une structure condensée aussi simple que celle décrite par le modèle d'Ising, (en théorie de la solidification), il n'est pas étrange que nous ne sachions pas évaluer l'effet de la présence d'une structure macromoléculaire sur le milieu ambiant du cytoplasme vivant et, par réaction, l'effet de ce milieu sur la structure. C'est pourquoi, on peut tenter une démarche inverse de celle préconisée d'ordinaire ; au lieu d'expliquer la morphogenèse im Grossen par des modifications de l'ultrastructure cellulaire, expliquer l'ultrastructure cellulaire par des schémas dynamiques semblables à ceux de la morphogenèse globale, mais à l'échelle de la cellule. Certes, ce programme ne peut guère être abordé sans une part considérable d'arbitraire dans l'interprétation dynamique des organites cellulaires ; c'est un danger inévitable qu'il faut courir dans une tentative aussi neuve.
(p 218) Or, considérons une cellule en voie de division comme un système dynamique dont la duplication est structurellement stable ; il existera dans cette duplication des éléments spectraux, formant l'ensemble des points où s'initie la duplication spatiale. Or, ce sont les chromosomes et les molécules d'acide nucléique qui jouent ce rôle. Toute modification assez forte de la dynamique d'auto-reproduction se traduit par un changement de structure (géométrique ou chimique) de ses éléments spectraux, de ses singularités. C'est, je crois, en ce sens et en ce sens seulement, qu'on peut voir dans l'ADN le support de l'information génétique. ».

Je suis bien conscient que les arguments fournis ici sont bien insuffisants si l'on voulait étayer une théorie, ce qui n'est pas mon rôle. Je crois que mon rôle d'enseignant recouvre aussi la charge d'ouvrir les jeunes esprits à une compréhension moins réductrice que ce qui m'a été enseigné.

* les chromosomes gardent les traces des métabolismes de la cellule; ils sont donc modifiables par la cellule elle-même; ils pourraient consituer une mémoire dynamique de la cellule.
* les chromosomes gardent la trace de l'histoire du développement de l'organisme.

voir cours de seconde §2.4.2.6 et §2.4.7

- le paysage nucléaire : les chromosomes se forment au centre d'un territoire nucléaire spécifique. De là à penser qu'ils puissent conserver (et transmettre ?) une organisation spatiale, ce qui est mathématiquement possible, il y a un fossé que peut combler l'imagination nécessaire à tout chercheur (voir ci-dessus ou cours de seconde §2.4.7).

Données complémentaires sur la page sur les mutations

- les anomalies chromosomiques : on connaît des anomalies chromosomiques dans certains groupes de cellules cancéreuses que l'on bien du mal à expliquer comme résultant d'une contamination par des cellules étrangères: le dogme de l'identité caryotypique de toutes les cellules d'un organisme est fissuré (cours de seconde §2.4.6).
Les anomalies chromosomiques, et notamment la trisomie 21, sont des anomalies de développement. Le caryotype, modifié en est la mémoire et non pas la cause. (voir page sur l'identité biologique)

« ... les cytogénéticiens ont montré que bon nombre d'anomalies chromosomiques étaient non aléatoires dans la mesure où certaines d'entre elles, surtout des anomalies de structure (translocation, inversion), étaient associées à des types plus ou moins spécifiques de proliférations, et que d'autres, surtout des anomalies de nombre étaient plus fréquentes que ne le voudrait le hasard. Les premières ont été souvent qualifiées de « primaires » pour indiquer le fait qu'elles sont associées à un événement causal et les secondes « secondaires » car plus inconstamment associées aux premières ou pouvant survenir après elles. Ces anomalies secondaires peuvent être présentes dès le premier examen cytogénétique, mais elles peuvent aussi survenir au cours du suivi du patient et définir alors une évolution clonale du caryotype. Plusieurs centaines d'anomalies récurrentes des cancers et hémopathies malignes sont maintenant connues (Mitelman database of chromosome aberrations in cancer : http://cgap.nci.nih.gov/Chromosomes/Mitelman ; Atlas of genetics and cytogenetics in oncology and haematology : http://atlasgeneticsoncology.org// ) et bon nombre d'entre elles ont pu être caractérisées au plan moléculaire». (Berger, 2007)

Une référence (accès restreint): Cytogénétique humaine. De 1956 à 2006, R. Berger, Pathologie Biologie 55 (2007) 1-12

« Plus récemment la mise à disposition de sondes télomériques spécifiques des régions subtélomériques de chacun des chromosomes a permis de rechercher systématiquement des remaniements cryptiques ou subtils chez des enfants retardés mentaux. Le pourcentage de détection de telles anomalies est variable selon les études faites et peut atteindre environ 7 % dans certaines d'entre elles. Plusieurs méthodes ou combinaisons de méthodes peuvent être employées pour la recherche de ces anomalies comme la FISH en multicouleur sur chromosomes métaphasiques qui peut détecter des translocations, ou le couplage avec une hybridation génomique comparative sur chromosomes ou même puces d'ADN mettant en évidence des remaniements déséquilibrés. L'existence de ces remaniements incite à rechercher leurs conséquences sur l'expression des gènes normalement situés dans les régions subtélomériques des chromosomes impliqués, dans la mesure où la proximité de l'hétérochromatine télomérique peut altérer leur expression. Il s'agit là d'une nouvelle approche possible de l'analyse des conséquences des remaniements chromosomiques sur l'expression génique qui peut être mise en parallèle avec les altérations attendues de l'expression de gènes rapprochés de régions d'hétérochromatine constitutive dans les remaniements péricentromériques». (Berger, 2007)