Organisation de l'ADN en temps réel
Comment le mouvement de l'ADN contrôle l'activité des gènes
Bien qu'ils soient densément emballés pour tenir dans le noyau, les chromosomes qui stockent notre information génétique sont toujours en mouvement. Cela permet à des régions spécifiques d'entrer en contact et d'activer ainsi un gène. Un groupe de scientifiques de l'Institute of Science and Technology Austria (ISTA), de l'université de Princeton et de l'Institut Pasteur de Paris a visualisé ce processus dynamique et donne un nouvel aperçu des caractéristiques physiques de l'ADN.
Pour faire de la science de pointe, il faut sortir des sentiers battus et réunir différentes disciplines scientifiques. Parfois, cela implique même d'être au bon endroit au bon moment. Pour David Brückner, chercheur postdoctoral et boursier NOMIS à l'ISTA, tous ces éléments se sont concrétisés lorsqu'il a assisté à une conférence donnée sur le campus par le professeur Thomas Gregor de l'université de Princeton. Inspiré par cette conférence, Brückner lui a proposé une idée : interpréter physiquement les ensembles de données spécifiques présentés par Gregor.
Les résultats de leur collaboration ont été publiés dans la revue Science. Ils mettent en évidence le mouvement stochastique (aléatoire) de deux éléments génétiques spécifiques sur un chromosome, qui doivent entrer en contact pour que le gène devienne actif dans l'espace 3D.
Comment l'ADN s'insère dans le noyau d'une cellule
Les organismes vivants tels que l'homme sont construits à partir de gènes stockés dans l'ADN, notre plan moléculaire. L'ADN est un polymère, une énorme molécule composée de parties individuelles plus petites (monomères). Il se trouve dans le noyau de chaque cellule. "Selon l'organisme, le polymère d'ADN peut atteindre des mètres de long, alors que la taille du noyau est de l'ordre du micron", explique M. Brückner. Pour tenir dans le minuscule noyau, l'ADN se compacte en s'enroulant comme sur une bobine et en se comprimant encore davantage pour prendre la forme bien connue des chromosomes, que nous avons tous rencontrés dans un manuel de biologie.
"Malgré leur forte condensation, les chromosomes ne sont pas statiques ; ils se déplacent en permanence", poursuit le physicien. Cette dynamique est très importante. Lorsqu'un gène spécifique doit être activé, deux régions du polymère appelées "enhancer" et "promoter" doivent entrer en contact étroit et se lier l'une à l'autre. Ce n'est qu'à ce moment-là qu'une machinerie cellulaire lit les informations du gène et forme la molécule d'ARN, qui finit par donner naissance aux protéines essentielles à tous les processus dont un organisme vivant a besoin.
Selon l'organisme, l'enhancer et le promoteur peuvent être très éloignés l'un de l'autre sur le chromosome. "Les méthodes utilisées jusqu'à présent permettaient d'obtenir une vue statique de la distance entre ces éléments, mais pas de la manière dont le système évolue dans le temps", explique M. Brückner. Intrigués par ces informations manquantes, les scientifiques ont entrepris d'obtenir un aperçu dynamique de la manière dont ces éléments sont organisés et se déplacent dans l'espace 3D en temps réel.
Visualisation des régions génétiques
Pour atteindre cet objectif, les chercheurs de Princeton ont mis au point une méthode permettant de suivre ces deux éléments d'ADN sur une certaine période de temps dans un embryon de mouche. Par manipulation génétique, les éléments d'ADN ont été marqués par fluorescence, la région de l'enhancer s'illuminant en vert et celle du promoteur en bleu. Grâce à l'imagerie en direct (microscopie en temps réel de cellules vivantes), les scientifiques ont pu visualiser les points fluorescents dans les embryons de mouche et voir comment ils se déplaçaient pour se trouver l'un l'autre.
Lorsque les deux taches se sont rapprochées, le gène a été activé et une lumière rouge supplémentaire s'est allumée car l'ARN était également marqué par des fluorophores rouges. Brückner ajoute avec enthousiasme : "Nous avons obtenu une lecture visuelle du moment où l'activateur et le promoteur sont entrés en contact. Cela nous a donné beaucoup d'informations sur leurs trajectoires".
L'ADN est très dense et se déplace rapidement
Le défi consistait alors à analyser cet énorme ensemble de données de mouvements stochastiques. Sa formation en physique théorique a permis à Brückner d'extraire des statistiques pour comprendre le comportement typique du système. Il a appliqué deux modèles physiques simplifiés et différents pour analyser les données.
Le premier est le modèle de Rouse. Il suppose que chaque monomère du polymère est un ressort élastique. Il prédit une structure lâche et une diffusion rapide - un mouvement aléatoire, où les régions génétiques se rencontrent occasionnellement. L'autre modèle est appelé "globule fractal". Il prédit une structure très compacte et donc une diffusion lente. "De manière surprenante, nous avons découvert dans les données que le système est décrit par une combinaison de ces deux modèles : une structure très dense à laquelle on s'attendrait sur la base du modèle du globule fractal, et une diffusion qui est décrite par les statistiques du modèle de Rouse", explique M. Brückner.
Grâce à la combinaison d'une structure dense et d'un mouvement rapide, la liaison de ces deux régions génétiques dépend beaucoup moins de leur distance le long du chromosome que ce que l'on pensait auparavant. "Si un tel système est fluide et dynamique en permanence, la communication à longue distance est bien meilleure que ce que nous aurions pu penser", ajoute Brückner.
Cette étude réunit les mondes de la biologie et de la physique. Pour les physiciens, elle est intéressante, car les scientifiques ont testé la dynamique d'un système biologique complexe avec des théories physiques qui existent depuis longtemps. Pour les biologistes, elle donne un aperçu des caractéristiques d'un chromosome, ce qui pourrait aider à comprendre plus en détail l'interaction et l'activation des gènes.
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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