Le repliement tridimensionnel des chromosomes en super-résolution

Publié par Adrien le 26/10/2020 à 09:00
Source: CNRS INSB
En combinant le marquage fluorescent d'ADN à la microscopie en super-résolution, les scientifiques ont caractérisé la structure de domaines génomiques appelés TADs au sein desquels les interactions chromatiniennes sont enrichies. Cette organisation dépend du complexe cohésine, qui génère ces interactions, et de la protéine (Une protéine est une macromolécule biologique composée par une ou plusieurs chaîne(s) d'acides aminés liés entre eux par des liaisons...) CTCF, qui prévient les contacts entre TADs voisins. Les TADs sont en outre subdivisés en "nanodomaines" qui dépendent du profil épigénétique de la chromatine. Ces résultats sont publiés dans la revue Nature Genetics.


Représentation de l'organisation des chromosomes en TADs. Les frontières des TADs sont occupées par la protéine CTCF, tandis que le complexe cohésine génère des interactions chromatiniennes au sein des TADs. Les TADs sont sous-divisés en nano-domaines chromatiniens (CNDs) qui se forment par agrégation de nucléosomes.
La ségrégation spatiale des TADs est renforcée lors de la différentiation des cellules souches embryonnaires en cellules progénitrices neurales. Lors de la déplétion (Le terme déplétion peut faire référence à :) de CTCF, le complexe cohésine peut continuer à agir à travers les frontières entre les TADs, induisant alors des contacts ectopiques entre TAD voisins.
Lors de la déplétion de RAD21, les interactions chromatiniennes générées au sein des TADs sont abolies. Suite à l'hyper-acétylation des histones, les TADs restent spatialement séparés mais leur organisation interne (En France, ce nom désigne un médecin, un pharmacien ou un chirurgien-dentiste, à la fois en activité et en formation à l'hôpital ou en cabinet pendant une...) en CNDs est perturbée.
© Giacomo Cavalli & Frédéric Bantignies

L'étude des mécanismes de l'organisation tridimensionnelle 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...) révèle des relations fonctionnelles entre la structure des chromosomes et la régulation (Le terme de régulation renvoie dans son sens concret à une discipline technique, qui se rattache au plan scientifique à l'automatique.) génique. Au sein du noyau des cellules eucaryotes, le génome apparaît replié de manière hiérarchique. A la plus petite échelle, la molécule (Une molécule est un assemblage chimique électriquement neutre d'au moins deux atomes, qui peut exister à l'état libre, et qui représente la plus petite quantité de matière...) d'ADN s'enroule autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au...) des protéines histones, formant (Dans l'intonation, les changements de fréquence fondamentale sont perçus comme des variations de hauteur : plus la fréquence est élevée, plus la hauteur perçue est haute et inversement....) les nucléosomes et la structure primaire de la fibre (Une fibre est une formation élémentaire, végétale ou animale, d'aspect filamenteux, se présentant généralement sous forme de faisceaux.) de chromatine. A plus grande échelle (La grande échelle, aussi appelée échelle aérienne ou auto échelle, est un véhicule utilisé par les sapeurs-pompiers, et qui emporte une échelle escamotable de grande hauteur. Le...), chaque 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...) occupe son propre territoire (La notion de territoire a pris une importance croissante en géographie et notamment en géographie humaine et politique, même si ce concept est...) au sein du noyau. Entre ces deux extrêmes, l'organisation physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique...) des chromosomes reste peu caractérisée, alors que c'est à cette échelle que la plupart des processus fonctionnels, comme la réplication de l'ADN et la transcription en ARN se produisent.

Durant la dernière décennie (Une décennie est égale à dix ans. Le terme dérive des mots latins de decem « dix » et annus « année.), l'utilisation d'une méthode de biologie moléculaire (La biologie moléculaire (parfois abrégée bio mol ou BM) est une discipline scientifique au croisement de la génétique, de la biochimie et de la physique, dont l'objet est la compréhension...) sophistiquée appelée Hi-C, qui permet la cartographie (La cartographie désigne la réalisation et l'étude des cartes géographiques. Le principe majeur de la cartographie est la représentation de...) de l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble),...) des contacts chromosomiques, a révélé la présence de domaines génomiques de l'ordre de la Mégabase (un million (Un million (1 000 000) est l'entier naturel qui suit neuf cent quatre-vingt-dix-neuf mille neuf cent quatre-vingt-dix-neuf (999 999) et qui précède un million un (1 000 001)....) de paires de bases) enrichis en interactions: les "Topologically Associating Domains" ou TADs. Différentes études ont mis en lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm...) un rôle fonctionnel des TADs dans la régulation génique, notamment par leur capacité à contenir les contacts à longue distance entre les promoteurs (sites de régulation de la transcription) des gènes et des séquences régulatrices telles que les "enhancers". La perturbation de ces domaines est ainsi associée à des maladies développementales ou à certains cancers. Cependant, la méthode de Hi-C générant des cartes d'interactions chromosomiques obtenues à partir de larges populations de cellules, une caractérisation directe de la structure de ces domaines au niveau de la cellule isolée manquait pour comprendre comment le génome est physiquement replié en TADs.

Dans cette étude, les chercheurs ont combiné une technique de marquage spécifique de l'ADN utilisant des oligonucléotides fluorescents appelée "Oligopaint Fluorescent in situ hybridization" avec de la microscopie (La microscopie est l'observation d'un échantillon (placé dans une préparation microscopique plane de faible épaisseur) à travers le microscope. La microscopie permet de rendre visible des...) en super-résolution pour étudier la structure des TADs avec une résolution spatiale de l'ordre de la centaine de nanomètres (milliardièmes de mètre). L'analyse de la structure de nombreuses régions chromosomiques dans des cellules souches embryonnaires de souris (Le terme souris est un nom vernaculaire ambigu qui peut désigner, pour les francophones, avant tout l’espèce commune Mus musculus, connue aussi comme animal de compagnie ou de laboratoire, mais aussi de...) a révélé une grande hétérogénéité structurale des TADs. Malgré cette variabilité, la majorité des cellules présente des contacts enrichis à l'intérieur d'un TAD donné par rapport aux TADs voisins. Ces résultats sont donc consistants avec le rôle proposé des TADs dans la définition (Une définition est un discours qui dit ce qu'est une chose ou ce que signifie un nom. D'où la division entre les définitions réelles et les définitions...) physique de domaines génomiques fonctionnels. De plus, leur ségrégation spatiale est exacerbée dans les cellules progénitrices neurales par rapport aux cellules souches, ce qui suggère que le repliement des chromosomes en TADs s'intensifie lors de la différentiation cellulaire.

Les chercheurs ont également étudié les effets des déplétions de la protéine CTCF, localisée au niveau des frontières entre TADs, et de la sous-unité RAD21 du complexe cohésine, toutes deux nécessaires à la formation des TADs. En l'absence de l'une ou l'autre de ces protéines, les contacts chromatiniens préférentiels au sein des TADs sont abolis, confirmant les précédentes observations (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir procuré explique la très grande participation...) de Hi-C. Les résultats révèlent, de plus, que la disparition des TADs s'effectue selon deux mécanismes distincts. La déplétion de CTCF entraîne des interactions anarchiques entre TADs voisins, mettant en évidence son rôle de protéine barrière. La déplétion de RAD21 entraîne en revanche une perte de contacts à l'intérieur des TADs, révélant son rôle dans la génération d'interactions chromatiniennes. Ces résultats, consistants avec un modèle de formation de TADs par extrusion de boucles, indiquent que le complexe cohésine est responsable de l'enrichissement de contacts chromatiniens, tandis que CTCF, en définissant les frontières, contraint l'action de la cohésine au sein des TADs.

Enfin, l'utilisation de la microscopie en super-résolution a révélé la présence de sous-structures à l'intérieur des TADs, appelées "nano-domaines chromatiniens" ou CNDs. Leur organisation dépend de l'état épigénétique de la chromatine et de l'hyper-acétylation des histones qui, en antagonisant les interactions entre nucléosomes, perturbe la formation des CNDs. Ces 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.) suggèrent donc que les CNDs se forment par agrégation de nucléosomes.

Cette étude caractérise ainsi l'organisation physique des TADs en cellules uniques, clarifie les rôles de CTCF et cohésine dans leur formation, et révèle l'existence de CNDs, qui représentent donc un nouveau niveau d'organisation structural de la chromatine intermédiaire entre les nucléosomes et les TADs. Des études futures devraient permettre de mieux comprendre les mécanismes moléculaires impliqués dans leur formation ainsi que leurs rôles fonctionnels dans la régulation du génome.

Pour en savoir plus:
Regulation of single-cell genome organization into TADs and chromatin nanodomains.
Szabo Q, Donjon (Le donjon est la tour la plus haute d'un château fort, destinée à servir à la fois de point d'observation, de poste de tir et de dernier refuge si le reste de la fortification vient à...) A, Jerković I, Papadopoulos GL, Cheutin T, Bonev B, Nora EP, Bruneau BG, Bantignies F, Cavalli G.
Nat Genet. 2020 Oct 19. doi: 10.1038/s41588-020-00716-8.

Laboratoire:
Institut de Génétique (La génétique (du grec genno γεννώ = donner naissance) est la science qui étudie l'hérédité et les gènes.) Humaine (IGH) - (CNRS/Université de Montpellier)
141, rue (La rue est un espace de circulation dans la ville qui dessert les logements et les lieux d'activité économique. Elle met en relation et...) de la Cardonille.
34396 Montpellier - Cedex 5, France.
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