Orchestration de la dynamique tridimensionnelle des chromosomes lors du cycle cellulaire
Publié par Adrien le 01/09/2017 à 00:00
Source: CNRS-INSB
A chaque division cellulaire, le patrimoine génétique contenu dans les chromosomes doit être dupliqué et ségrégé dans les cellules filles. Ces processus sont accompagnés de modifications structurales, régulées par des protéines conservées chez la plupart des organismes vivants. Des chercheurs de l'équipe Régulation (Le terme de régulation renvoie dans son sens concret à une discipline technique, qui se rattache au plan scientifique à l'automatique.) spatiale des génomes à l'Institut Pasteur (L’Institut Pasteur est une fondation française privée à but non lucratif qui se consacre à l'étude de la biologie, des microorganismes, des maladies et...) et du laboratoire de Physique théorique (La physique théorique est la branche de la physique qui étudie l’aspect théorique des lois physiques et en développe le formalisme...) de la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux. La...) condensée à l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études...) P. et M. Curie, ont suivi les transitions structurales des 16 chromosomes du génome (Le génome est l'ensemble du matériel génétique d'un individu ou d'une espèce codé dans son ADN (à l'exception de certains virus dont le génome est porté par des molécules d'ARN). Il contient en...) de levure (Une levure est un champignon unicellulaire apte à provoquer la fermentation des matières organiques animales ou végétales. Les levures sont...) au cours du cycle cellulaire en étudiant leur organisation (Une organisation est) tridimensionnelle dans des populations synchronisées et/ou mutantes. Cette étude qui révèle en outre un possible nouveau mécanisme facilitant la ségrégation des chromosomes, a été publiée le 20 juillet 2017 dans la revue EMBO Journal.


Figure: (A) Superposition de 3 représentations 3D du génome de levure au cours de la réplication de l'ADN. Le gradient de couleur (La couleur est la perception subjective qu'a l'œil d'une ou plusieurs fréquences d'ondes lumineuses, avec une (ou des) amplitude(s) donnée(s).) illustre la progression temporelle de la réplication des télomères aux centromères. (B) Illustration de l'organisation des chromosomes en mitose. Deux structures (identiques) tirées des données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) de Hi-C sont disposées en miroir (Un miroir est un objet possédant une surface suffisamment polie pour qu'une image s'y forme par réflexion et conçu à cet effet. C'est souvent une couche métallique...) l'une de l'autre, reflétant la ségrégation des deux jeux de chromosomes en anaphase. En haut, les centromères sont ségrégés dans les noyaux des cellules filles en début d'anaphase. Dans le panneau du bas, l'ADN ribosomique qui se trouve sur le chromosome (Le chromosome (du grec khroma, couleur et soma, corps, élément) est l'élément porteur de l'information génétique. Les chromosomes contiennent les gènes et permettent leur distribution égale dans les deux...) 12 (en orange) est ensuite tiré en anaphase plus tardive vers chaque foyer de centromères par les condensines. Ce processus conduit à la formation d'une boucle de chromatine sur le grand bras du chromosome 12 (flèche).
© Romain Koszul, Julien Mozziconacci

La duplication et la ségrégation des chromosomes impliquent une réorganisation dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé comme :) de leur structure par les complexes protéiques de maintenance de la structure des chromosomes (SMC), conservés chez les eucaryotes comme chez les procaryotes. Les chercheurs ont réussi à suivre ces changements structuraux à l'échelle du génome en utilisant la capture (Une capture, dans le domaine de l'astronautique, est un processus par lequel un objet céleste, qui passe au voisinage d'un astre, est retenu dans la gravisphère de ce dernier. La capture de l'objet céleste aboutit à...) de conformation (En chimie, la conformation d'une molécule est l'arrangement spatial des atomes qui la composent. Les molécules dans lesquelles les atomes sont liés...) de chromosomes (Hi-C) sur des populations de cellules préalablement synchronisées. Cette technique consiste à "geler", grâce à un agent fixateur, les structures 3D de tous les ADN présents dans chaque noyau. Les fréquences de contacts entre toutes les positions le long de ces molécules d'ADN sont alors quantifiées par séquençage (En biochimie, le séquençage consiste à déterminer l'ordre linéaire des composants d'une macromolécule (les acides aminés d'une...) haut débit (Le terme de haut débit (ou large bande par traduction littérale de l'expression anglosaxonne broadband) fait référence à des capacités d'accès à internet supérieures à celle de l'accès analogique par modem (typique : 56 kb/s)...). Une carte de contacts entre toutes les positions d'un génome peut alors être générée, reflétant la structure 3D moyenne (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de quantités : elle exprime la grandeur qu'auraient chacun des membres de l'ensemble s'ils étaient tous identiques sans...) des chromosomes dans la condition étudiée. En utilisant des mutants, les chercheurs ont ainsi pu observer, à l'échelle du génome, le rôle des SMC dans la réorganisation structurelle de ce dernier au cours du cycle.

Durant la réplication, un chromosome est dupliqué en deux chromatides soeurs. En combinant les structures Hi-C au profil temporel de réplication, les chercheurs ont pu générer pour la première fois une carte de réplication tridimensionnelle qui illustre le programme spatio-temporel de duplication du génome. La structure obtenue montre l'établissement dans l'espace nucléaire (Le terme d'énergie nucléaire recouvre deux sens selon le contexte :) d'une vague (Une vague est un mouvement oscillatoire de la surface d'un océan, d'une mer ou d'un lac. Les vagues sont générées par le vent et ont une amplitude crête-à-crête allant de quelques centimètres...) coordonnée de réplication, débutant au niveau des centromères co-localisés pour finir, plus tardivement, au niveau des télomères (Fig. A). Lors de la réplication, les chromatides soeurs demeurent appariées et sont condensées par le complexe SMC cohésine, ce qui conduit à l'individualisation des chromosomes les uns par rapport aux autres. A la suite de la réplication, les cellules entrent en mitose et se divisent. Les chromosomes lors de cette phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) sont séparés par des forces mécaniques exercées par les microtubules du fuseau mitotique. La synchronisation des cellules en anaphase, lorsque les chromatides soeurs sont séparées dans les deux cellules filles, a révélé des chromosomes sous une tension (La tension est une force d'extension.) due aux forces mécaniques générées notamment par le faisceau de microtubules. De plus, les contacts ont mis en évidence une boucle de chromatine reliant les centromères des chromosomes et le locus contenant les gènes codant les ribosomes qui se trouvent au milieu du grand bras du chromosome 12. Cette boucle de chromatine est dépendante de l'action des SMC condensines, et suggère que ce complexe, jusqu'alors connu pour faciliter la condensation (La condensation est le nom donné au phénomène physique de changement d'état de la matière qui passe d'un état dilué (gaz) à un état condensé...) des chromatides soeurs individualisées, pourrait ainsi participer plus activement à la ségrégation de certains chromosomes, en soutien à l'action du faisceau de microtubules (Fig B).
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