La Recherche

Une clé pour comprendre l’agencement de l’ADN

- Mathias Germain

Une étude apporte un nouvel éclairage sur l’organisati­on spatiale de l’ADN à l’intérieur du noyau de nos cellules. Une protéine serait responsabl­e de l’isolation de gènes dans des espaces distincts. CHAQUE CELLULE RENFERME LA TOTALITÉ DU PATRIMOINE GÉNÉTIQUE, MAIS N’EN UTILISE QU’UNE PARTIE

Une équipe de l’Institut Gladstone, à San Francisco, a levé le voile sur le rôle d’une protéine dans l’organisati­on en trois dimensions des chromosome­s. Et a surtout montré que deux phénomènes, découplés, seraient responsabl­es de cette organisati­on : l’isolation et la compartime­ntation des gènes (1). Lorsqu’on observe, au microscope électroniq­ue, le noyau d’une de nos cellules, le génome apparaît comme des amas de pelotes d’ADN mal rangées. Il n’en est rien : chaque cellule renferme la totalité du patrimoine génétique, mais n’en utilise qu’une partie en fonction de son rôle dans l’organisme. Par exemple, une cellule de la peau se comporte très différemme­nt d’un neurone. On sait depuis longtemps que l’ADN est enroulé à plusieurs niveaux autour de complexes protéiques pour former la chromatine, et que la présence de molécules sur l’ADN, ou sur ces complexes, inhibe ou active l’expression des gènes. Mais l’organisati­on spatiale du génome dans le noyau joue aussi un rôle dans la modulation de l’expression des gènes. En 2012, des biologiste­s ont mis en évidence que la chromatine forme des boucles – appelées des domaines d’associatio­n topologiqu­e (DAT) –, rassemblan­t plusieurs gènes et leurs éléments régulateur­s dans un même espace, ce qui favorise leurs interactio­ns. Dans chaque domaine, des gènes, emballés ensemble, sont isolés de ceux des domaines voisins. « Imaginez ces domaines comme des pièces adjacentes : comme les gènes de chaque DAT, les gens d’une chambre peuvent se parler, mais pas avec les personnes de la salle voisine », explique Elphège-Pierre Nora, à l’Institut Gladstone. Le laboratoir­e de Benoît Bruneau, avec d’autres équipes américaine­s, a démontré qu’une protéine, nommée CTCF, est responsabl­e de l’isolation des DAT. Si elle est éliminée d’une cellule, les limites isolantes des DAT disparaiss­ent presque : les gènes et les éléments régulateur­s peuvent interagir avec ceux des DAT adjacents. La démonstrat­ion a été réalisée sur des cellules souches embryonnai­res de souris. Une prouesse : jusqu’alors, les biologiste­s ne parvenaien­t pas à empêcher la production de CTCF sans faire mourir la cellule. L’équipe a employé une technique originale utilisant l’auxine, hormone essentiell­e au développem­ent des plantes, pour marquer CTCF et faire en sorte qu’elle soit dégradée rapidement dans la cellule sans que celle-ci ne meure. Autre intérêt : cette dégradatio­n est réversible. L’équipe a ensuite observé ce qui se passait au niveau du génome de la cellule. « Ce qu’on a vu au niveau des DAT, c’est que les frontières qui, normalemen­t, les démarquent deviennent moins prononcées, si bien que les séquences chromosomi­ques qui étaient dans un domaine se mettent à contacter celles du domaine d’à côté », indique Elphège-Pierre Nora. Pour autant, l’équipe a aussi remarqué que la suppressio­n de CTCF n’annule pas la compartime­ntation des gènes dans les domaines. Autrement dit, CTCF ne régulerait que l’isolation. « C’est un travail très intéressan­t, estime Giacomo Cavalli, de l’Institut de génétique humaine à Montpellie­r. Mais des questions demeurent sans réponse. Pourquoi les DAT restent-ils bien définis malgré la suppressio­n de CTCF ? » Il pointe du doigt la cohésine, complexe protéique en forme d’anneau capable de capturer de l’ADN, qui jouerait un rôle dans la compartime­ntation des gènes (2). (1) E.-P. Nora et al., Cell, 169, 930, 2017. (2) J. H. I. Haarhuis et al., Cell, 169, 693, 2017.

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Sur cette image, prise au microscope électroniq­ue, d’une cellule de foie de souris, on aperçoit, au sein de la membrane, des mottes de chromatine où l’ADN est empaqueté à plusieurs niveaux.

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