Une équipe de scientifiques a découvert les principes physiques – une série de forces et de flux hydrodynamiques – qui aident à assurer le bon fonctionnement du plan de la vie. Sa découverte apporte de nouvelles connaissances sur le génome tout en offrant potentiellement un nouveau moyen de repérer les aberrations génomiques liées aux troubles du développement et aux maladies humaines.
« La manière dont le génome est organisé et emballé à l’intérieur du noyau affecte directement sa fonction biologique, mais les principes physiques derrière cette organisation sont loin d’être compris », explique Alexandra Zidovska, professeure associée au département de physique de l’Université de New York et auteur. de l’article, qui paraît dans le journal Examen physique X (PRX). « Nos résultats fournissent des informations fondamentales sur les origines biophysiques de l’organisation du génome à l’intérieur du noyau cellulaire. »
« Une telle connaissance est cruciale pour comprendre la fonction du génome », ajoute David Saintillan, professeur au Département de génie mécanique et aérospatial de l’Université de Californie à San Diego et auteur de l’article.
« Nos résultats montrent le rôle clé de la physique dans l’organisation du génome et donc sa fonction », observe Michael Shelley, professeur au Courant Institute of Mathematical Sciences de NYU, chercheur au Flatiron Institute et auteur de l’article.
Simulation informatique des chromosomes, représentés par différentes couleurs, à l’intérieur du noyau cellulaire. Les réarrangements chromosomiques se produisent en raison des forces actives agissant sur le génome et de leurs interactions hydrodynamiques. Crédit : Achal Mahajan, UC San Diego.
L’équipe, qui comprenait également Wen Yan, anciennement du Flatiron Institute’s Center for Computational Biology, et Achal Mahajan, doctorant à l’UC San Diego au moment des travaux, s’est concentrée sur le rôle du nucléoplasme, le fluide dans lequel le génome est immergé – et les forces qui animent son organisation.
Plus précisément, les scientifiques ont examiné les forces appliquées sur le matériel chromosomique, ou la chromatine, par les enzymes à l’œuvre dans le noyau d’une cellule. Ici, ces forces initient des processus, tels que la transcription, et agissent de manière à affecter l’arrangement spatial de la chromatine.
Cette organisation affecte la fonction biologique. Mais malgré le rôle crucial de ce processus dans la transmission de l’information génétique, la physique qui le sous-tend est opaque.
Afin de mieux comprendre cette dynamique, les scientifiques se sont concentrés sur la compartimentation du génome en ses parties primaires, l’euchromatine et l’hétérochromatine. L’euchromatine contient principalement des gènes de transcription active, qui pilotent l’expression; l’hétérochromatine contient des gènes qui sont réduits au silence et donc non exprimés dans la cellule.
Pour capturer cela, ils ont créé un système de modélisation informatique qui reproduisait ce processus à travers une série de simulations. Dans leur noyau modèle, 23 fibres de chromatine – le nombre de chromosomes dans le génome humain – ont été modélisées sous forme de chaînes souples et insérées dans une sphère remplie de liquide. Chaque chaîne était divisée en régions actives, ou euchromatines, et en régions passives hétérochromatiques.
Ils ont découvert que lorsque des forces actives agissent sur la fibre de chromatine, elles génèrent des flux dans le fluide qui les entoure, ce qui à son tour affecte le mouvement et le positionnement de la chromatine environnante. Ces forces poussent sur les parties euchromatiques et entraînent des flux qui provoquent un important réarrangement spatial du génome, conduisant notamment à la formation de compartiments à hétérochromatine.
« Les parties euchromatiques, ou actives, repoussent les parties hétérochromatiques, ou inactives, hors de leur chemin et les regroupent », explique Zidovska. « C’est ainsi que la cellule stocke efficacement les gènes inactifs.
« C’est crucial pour notre santé – si ce processus tourne mal, l’organisme ne se forme pas correctement et conduit potentiellement à des troubles du développement et à d’autres affections, telles que le développement de cellules cancéreuses. »
Plus d’information:
Achal Mahajan et al, l’activité de l’euchromatine améliore la ségrégation et le compactage de l’hétérochromatine dans le noyau cellulaire, Examen physique X (2022). DOI : 10.1101/2022.02.22.481494