Un modèle pour mieux comprendre l'organisation spatiale des chromosomes

Résultat scientifique Micro et nanotechnologies

Une équipe du LAAS-CNRS, en collaboration avec un consortium de chercheurs1, a développé et validé expérimentalement un modèle physique qui permet de rendre compte de l'organisation spatiale et de la dynamique temporelle des chromosomes d'une levure. L'organisation des chromosomes et leurs repliements contribuent à la régulation de l'expression des gènes. Ces résultats sont publiés dans la revue Nucleic Acids Research.

  • 1. Les autres laboratoires du CNRS qui ont participé à l'étude sont : le laboratoire de Physique (CNRS/Ecole Normale Supérieure de Lyon), le Centre de biologie intégrative (CBI, CNRS/université de Toulouse), le laboratoire de Physique physicochimie des electrolytes et nanosystèmes interfaciaux (PHENIX, CNRS/Sorbonne Université) et le Laboratoire de physique théorique de la matière condensée (LPTMC, CNRS/Sorbonne Université)

L’organisation spatiale et les repliements de la longue chaîne de l'ADN dans le noyau des cellules apparaissent comme des facteurs de régulation de l'expression des gènes. Il est établi que des protéines peuvent guider ces repliements en formant des interactions entre séquences génomiques distantes, mais le rôle de la fibre des chromosomes, sous l’angle de ses propriétés physiques, est en revanche moins bien connu. Des chercheurs du LAAS-CNRS contribuent à pallier cette lacune en proposant un modèle physique des chromosomes de la levure S. cerevisiae rendant compte de résultats expérimentaux de conformation et de dynamique.

Les chercheurs du LAAS-CNRS sont partis d'un modèle déjà utilisé par les spécialistes des polymères, le modèle de Rouse, qui décrit les fluctuations de l'organisation spatiale de la molécule à l'équilibre dans un solvant, sous l'effet des mouvements browniens. Mais ce modèle conduit à attribuer à la chaîne de l'ADN une faible flexibilité, incompatible avec les données de structure des chromosomes accessibles dans la littérature. Ils ont donc construit un nouveau modèle, baptisé RouseTIC (Transient internal contact), qui introduit la possibilité de contacts transitoires intramoléculaires dans la modélisation de l'ADN. En le confrontant à des données expérimentales, en particulier obtenues par marquage en fluorescence et suivi optique des fluctuations de chromosomes, ils ont pu mesurer l'énergie attractive des contacts intramoléculaires (entre -0.3 et -0.5 kBT). Une faible énergie, qu'ils attribuent à la formation de ponts électrostatiques entre les histones, les protéines constitutives des chromosomes, et l'ADN.

Ces résultats ouvrent des pistes pour de nouvelles recherches sur les mécanismes de régulation de l'architecture des chromosomes, qui faut maintenant étendre aux organismes métazoaires, allant de la drosophile à l’homme, par exemple pour comprendre comment ces dernières interviennent dans des processus pathologiques.

Simulation d'une fibre de chromosome où l'ADN est représenté en gris et les histones autour desquelles s'entoure l'ADN pour former les nucléosomes en rouge. Les nucléosomes représentés en vert correspondent à des contacts : ils sont à courte distance, ce qui fixe la conformation de la chaîne et limite ses fluctuations dans l'espace.
© LAAS-CNRS

Références :
Rouse model with transient intramolecular contacts on a timescale of seconds recapitulates folding and fluctuation of yeast chromosomes.

M. Socol, R. Wang, D. Jost, P. Carrivain, C. Vaillant, E. Le Cam, V. Dahirel, C. Normand, K. Bystricky, J-M. Victor, O. Gadal and A. Bancaud.
Nucleic Acids Research, (2019)
DOI: 10.1093/nar/gkz374

Contact

Communication INSIS
Aurélien Bancaud
LAAS-CNRS