La dynamique des chromosomes explorée par la biophysique

La mise au point de techniques inédites de microscopie optique a permis d’examiner le mouvement et le repliement des chromosomes à l’intérieur de cellules vivantes. Ce travail publié dans Genome Research et Journal of Cell Biologya dévoilé les propriétés biophysiques des chromosomes, expliquant ainsi leur principe d’organisation. Il a été réalisé par des biologistes et physiciens du Laboratoire de biologie moléculaire eucaryote (CNRS/Université Toulouse III – Paul Sabatier), du Laboratoire d'analyse et d'architecture des systèmes (CNRS) et du Laboratoire de physique théorique de la matière condensée (CNRS/UPMC), en collaboration avec l’Institut Pasteur et le Conseil indien de la recherche scientifique et industrielle. Cinq des équipes impliquées dans ce travail font partie du groupement de recherche « Architecture et dynamique nucléaires » du CNRS. 

Les chromosomes sont de longs fragments d’ADN organisés à différentes échelles et stockés à l’intérieur du noyau des cellules eucaryotes. Les outils de la biologie moderne permettent de sonder et de déterminer les mécanismes moléculaires qui gouvernent leur architecture. Ces recherches nourries par de riches collaborations entre physiciens, statisticiens et biologistes, sont essentielles à l’émergence de nouveaux mécanismes de régulation de l’expression des gènes et à la compréhension des phénomènes pathologiques qui leur sont associés. 
Si les interactions biochimiques jouent un rôle établi dans l’organisation des chromosomes, les interactions physiques semblent être d’une importance tout aussi cruciale. En effet, les chromosomes sont de nature polymérique et présentent des éléments structuraux qui se répètent régulièrement dans l’espace. Ce caractère régulier a fait le succès de la physique des polymères, qui répond à des lois universelles, indépendantes de la structure microscopique de la molécule étudiée. Il est donc possible que les chromosomes, à l’instar des polymères, présentent eux-aussi de tels comportements universels. 
Pour tester cette hypothèse, les chercheurs ont travaillé sur le génome de la levure Saccharomyces cerevisiae, l’organisme eucaryote le plus simple à étudier. L’analyse par microscopie optique du repliement de son plus long chromosome a montré un comportement de polymère, guidé par l’exclusion volumique et d’autres contraintes physiques, en particulier en périphérie du noyau. Le suivi du mouvement des chromosomes a également permis de déceler une réponse très homogène au sein du génome, caractéristique de polymères en milieux confinés. L’amplitude de ce mouvement a ensuite pu être associée aux propriétés élastiques des chromosomes, indiquant une flexibilité étonnamment grande, bien supérieure à celle de l’ADN lui-même. 
Pris dans leur ensemble, ces travaux livrent de nouvelles informations sur le comportement dynamique des chromosomes et ouvrent de nouvelles perspectives dans l’étude des mécanismes de réorganisation du génome tout au long de la vie cellulaire. 

Figure ci-dessus : L'imagerie du noyau de levure représentée à droite permet d'observer sur une même cellule le nucléole (tâche rouge), et un fragment de chromosome (point vert) dans l'environnement nucléaire (cercle vert). L'analyse des fluctuations permet de remonter à un modèle structural fondé sur la physique des polymère, schématisé sur le panneau de gauche. © LBME, Olivier Gadal

En savoir plus
Systematic characterization of the conformation and dynamics of budding yeast chromosome XII, Benjamin Albert, Julien Mathon, Ashutosh Shukla, Hicham Saad, Christophe Normand, Isabelle Léger-Silvestre, David Villa, Alain Kamgoue, Julien Mozziconacci, Hua Wong, Christophe Zimmer, Purnima Bhargava, Aurélien Bancaud, Olivier Gadal, Journal of Cell Biology (2013), doi:10.1083/jcb.201208186. 

High throughput chromatin motion tracking in living yeast reveals the flexibility of the fiber throughout the genome, Houssam Hajjoul, Julien Mathon, Hubert Ranchon, Isabelle Goiffon, Julien Mozziconacci, Benjamin Albert, Pascal Carrivain, Jean-Marc Victor, Olivier Gadal, Kerstin Bystricky, Aurélien Bancaud, Genome Research (2013),……………………………………………..

Contact chercheur :
Aurélien Bancaud, abancaud@laas.fr
Laboratoire d'analyse et d'architecture des systèmes (LAAS)
UPR8001 CNRS
7 avenue du colonel Roche
31077 Toulouse Cedex 4