Les physiciens ont observé des boucles aléatoires dans les chromosomes et ont révélé comment les boucles affectent l'organisation spatiale du génome
Les chromosomes humains sont de longues chaînes de polymères qui stockent l'information génétique. Le noyau de chaque cellule contient l'intégralité du génome humain (ADN) codé sur 46 chromosomes d'une longueur totale d'environ 2 mètres. Pour tenir dans le noyau cellulaire microscopique tout en assurant un accès constant à l'information génétique, les chromosomes sont repliés dans le noyau d'une manière spéciale et prédéterminée. Le pliage de l'ADN est une tâche urgente à l'intersection de la physique des polymères et de la biologie des systèmes.
Image 1. Chromosome avec boucles (à gauche) et courbe dérivée pic-plongée de la probabilité de contact (à droite). À grande et à petite échelle, le pliage des chromosomes diffère considérablement en raison de l'effet de "dilution des enchevêtrements" créé par les boucles.
Kirill Polovnikov
Il y a quelques années, des chercheurs ont émis l'hypothèse d'une extrusion active de boucles sur les chromosomes par des moteurs moléculaires, comme l'un des mécanismes de pliage des chromosomes. Bien que la capacité des moteurs à extruder l'ADN in vitro ait été démontrée, l'observation expérimentale des boucles dans une cellule vivante est une tâche techniquement très difficile, voire impossible. Une équipe de scientifiques de Skoltech, du MIT et d'autres organisations scientifiques de premier plan en Russie et aux États-Unis a présenté un modèle physique d'un polymère plié en boucles. La solution analytique de ce modèle a permis aux scientifiques de reproduire les caractéristiques universelles de l'empaquetage des chromosomes sur la base des données expérimentales - l'image montre la courbe dérivée pic-pente de la probabilité de contact. Le travail théorique permettra aux chercheurs de comprendre comment l'extrusion des boucles affecte les propriétés biophysiques du chromosome et d'extraire les paramètres de ces boucles à partir des données expérimentales. L'article est publié dans la revue Physical Review X.
"L'extrusion des boucles par les moteurs, comme c'est souvent le cas en biologie, est aléatoire : elles se forment et disparaissent constamment. Cela explique notamment pourquoi leur détection expérimentale dans une seule cellule vivante est si difficile. Nous avons adopté une approche différente : nous avons développé une théorie physique qui montre comment des boucles distribuées de manière aléatoire sur un polymère affecteraient l'organisation spatiale du polymère. Ensuite, nous avons analysé des données expérimentales sur l'agencement spatial des chromosomes obtenues sur des milliards de cellules vivantes et nous y avons trouvé les mêmes caractéristiques statistiques", explique Kirill Polovnikov, principal auteur de l'étude, professeur assistant et chef du groupe de recherche à Skoltech.
La théorie développée a permis de déterminer la taille typique des boucles chromosomiques et leur densité. En outre, les auteurs ont découvert un nouvel effet topologique associé aux boucles. Lorsque les boucles sont extrudées, le squelette de la chaîne se raccourcit, mais il s'étire dans l'espace tridimensionnel en raison de l'effet dit de "dilution des enchevêtrements" dans le système polymère. Les scientifiques ont développé un modèle analytique de cet effet et ont également confirmé leurs résultats par des simulations informatiques. La théorie permet d'identifier et de caractériser les boucles chromosomiques à l'aide de données expérimentales et modifie notre compréhension de l'organisation topologique des chromosomes dans une cellule vivante.
"Tout comme les astrophysiciens découvrent de nouvelles exoplanètes grâce à la diminution de la luminosité de l'étoile mère lors du passage de la planète, notre théorie offre un outil pour détecter la 'trace' des boucles dans les données génomiques. De manière surprenante, les caractéristiques identifiées s'avèrent être universelles non seulement pour les humains, mais aussi pour les cellules d'autres organismes. Apparemment, le pliage des chromosomes en boucles est l'un des principes les plus généraux de l'organisation spatiale de l'ADN", ajoute Kirill Polovnikov.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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