Comment le mouvement de l’ADN contrôle l’activité des gènes

Bien qu’ils soient densément emballés pour s’adapter au noyau, les chromosomes stockant 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’Institut autrichien des sciences et technologies (ISTA), de l’Université de Princeton et de l’Institut Pasteur de Paris a maintenant visualisé ce processus dynamique et donne de nouvelles informations sur les caractéristiques physiques de l’ADN.

Faire de la science de pointe nécessite de sortir des sentiers battus et de rassembler différentes disciplines scientifiques. Parfois, cela signifie même être au bon endroit au bon moment. Pour David Brückner, chercheur postdoctoral et boursier NOMIS à l’ISTA, toutes les choses mentionnées ci-dessus sont entrées en vigueur lorsqu’il a assisté à une conférence sur le campus du professeur Thomas Gregor de l’Université de Princeton.

Inspiré par la conférence, Brückner a proposé une idée : interpréter physiquement les ensembles de données spécifiques présentés par Gregor. Aujourd’hui, les résultats de leur collaboration sont publiés dans 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’intègre dans un noyau cellulaire

Les organismes vivants comme les humains sont construits sur des gènes stockés dans l’ADN, notre empreinte moléculaire. L’ADN est un polymère, une énorme molécule de petites parties individuelles (monomères). Il est situé dans le noyau de chaque cellule.

« Selon l’organisme, le polymère d’ADN peut mesurer jusqu’à plusieurs mètres de long, mais la taille du noyau est de l’ordre du micron », explique Brückner. Pour s’insérer dans le minuscule noyau, l’ADN est compacté en étant enroulé comme sur une bobine, puis comprimé dans la forme bien connue des chromosomes, que nous avons tous rencontrés dans un manuel de biologie.

« Bien qu’ils soient fortement condensés, les chromosomes ne sont pas statiques, ils s’agitent tout le temps », poursuit le physicien. Ces dynamiques sont très importantes. Chaque fois qu’un gène spécifique doit être activé, deux régions du polymère appelées « enhancer » et « promoteur » doivent entrer en contact étroit et se lier l’une à l’autre. Ce n’est que lorsque cela se produit que la machinerie cellulaire lit les informations du gène et forme la molécule d’ARN, qui finit par donner naissance à des protéines essentielles à tous les processus dont un organisme vivant a besoin.

Selon l’organisme, l’activateur et le promoteur peuvent être assez éloignés l’un de l’autre sur le chromosome. « Avec les méthodes utilisées précédemment, vous pouviez obtenir une vue statique de la distance entre ces éléments, mais pas de l’évolution du système dans le temps », explique Brückner. Intrigués par cette information manquante, les scientifiques ont entrepris d’avoir un regard dynamique sur la façon dont ces éléments sont organisés et comment ils se déplacent dans l’espace 3D en temps réel.

Visualisation des régions de gènes

Pour atteindre cet objectif, les scientifiques expérimentaux de Princeton ont mis au point une méthode pour 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 activatrice s’illuminant en vert et le promoteur en bleu. Grâce à l’imagerie en direct (microscopie accélérée de cellules vivantes), les scientifiques ont pu visualiser les taches fluorescentes dans les embryons de mouches pour voir comment ils se déplaçaient pour se trouver.

Une fois que les deux points se sont rapprochés, le gène a été activé et une lumière rouge supplémentaire s’est allumée car l’ARN a également été marqué avec des fluorophores rouges. Brückner ajoute avec enthousiasme : « Nous avons eu 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 dense et présente un mouvement rapide

Le défi était alors de savoir comment analyser cet énorme ensemble de données de mouvement stochastique. La formation de Brückner en physique théorique lui a permis d’extraire des statistiques pour comprendre le comportement typique du système. Il a appliqué deux modèles physiques différents et simplifiés pour découper les données.

L’un était le modèle 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 parfois les régions du gène se rencontrent. L’autre modèle s’appelle le « globule fractal ». Il prédit une structure très compacte et donc une diffusion lente.

« Étonnamment, nous avons trouvé dans les données que le système est décrit par une combinaison de ces deux modèles – une structure très dense à laquelle on pourrait s’attendre sur la base du modèle de globule fractal, et une diffusion qui est décrite par les statistiques du modèle de Rouse, » Brückner explique.

En raison de la combinaison d’un compactage dense et d’un mouvement rapide, la liaison de ces deux régions géniques dépend beaucoup moins de leur distance le long du chromosome que prévu auparavant. « Si un tel système est dans un état fluide et dynamique tout le temps, la communication longue distance est bien meilleure que nous aurions pu le penser », ajoute Brückner.

Cette étude réunit les mondes de la biologie et de la physique. Pour les physiciens, c’est intéressant, car les scientifiques ont testé la dynamique d’un système biologique complexe avec des théories physiques qui existent depuis longtemps ; et pour les biologistes, il donne un aperçu des caractéristiques d’un chromosome, ce qui pourrait aider à comprendre plus en détail l’interaction et l’activation des gènes.