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Dans le noyau de nos cellules, l’ADN s’organise sous la forme d’un collier de perles impliqué dans la régulation de l’expression de nos gènes. Observée pour la première fois in situ à l’échelle nanométrique, cette structure lève le voile sur une variabilité surprenante.
L’image en « X » popularisée par les manuels scolaires ne reflète qu’un moment fugace de la vie des chromosomes, celui de la division cellulaire. Le plus souvent, l’ADN prend l’allure d’un globule replié à l’intérieur du noyau, un espace à peine plus grand qu’un millième de millimètre. Ce désordre cache une organisation complexe : certaines zones restent accessibles pour que les gènes s’expriment, d’autres, plus compactes, deviennent « silencieuses ».
Pour comprendre cette organisation et comment elle influence l’activité des gènes, il faut descendre mille fois plus bas, à l’échelle du nanomètre. C’est le pari d'Amélie Leforestier, directrice de recherche CNRS au Laboratoire de physique des solides[1], qui pilote le projet interdisciplinaire CRYOCHROM[2]. Ce dernier est financé par l’Agence nationale de la recherche (ANR), qui soutient l’excellence de la recherche et l’innovation française au niveau national, européen et international.
Au plus près des gènes
Depuis une vingtaine d’années, la biologie a fait des progrès spectaculaires pour cartographier l’organisation du génome. Grâce à la fluorescence, on peut suivre la position de certaines régions ou protéines dans le noyau. Avec les méthodes de « capture de conformation », il est possible de localiser des régions d’ADN voisines pour dresser une carte des contacts au sein d’un chromosome.
Toutefois, ces approches révèlent l’architecture globale, pas la structure fine. Observer l’organisation du chromosome à l’échelle nanométrique, c’est donc comme passer de la carte d’un pays à la structure de ses immeubles. À cette petite échelle, l’unité de base est le nucléosome : un segment d’ADN enroulé autour de protéines histones. Ensemble, les nucléosomes forment une structure qui s’apparente à un collier de perles d’ADN. « Pour la première fois, nous avons visualisé ces structures dans leur environnement nucléaire et réussi à voir comment ces perles s’enchaînent réellement et pas juste théoriquement », explique Amélie Leforestier.
Un collier surprenant
En s’enchaînant, les nucléosomes forment la chromatine, cette fibre qui structure les chromosomes à l’intérieur du noyau. CRYOCHROM a montré qu’à l’échelle nanométrique, cette fibre est bien moins ordonnée que prévu. « Des études in vitro avaient mis en évidence un repliement du collier de nucléosomes en fibres régulières de 30 nanomètres. Mais dans le noyau, nous avons vu un repliement irrégulier, en zigzag désordonné », raconte la chercheuse.
Pour parvenir à ces observations, l’équipe a misé sur la cryo-tomographie électronique. Cette technique consiste à refroidir très rapidement un échantillon pour le vitrifier. L’eau n’a alors pas le temps de former des cristaux de glace qui détruiraient les structures biologiques. La cellule, coupée ensuite en fines sections, peut ainsi être observée dans son état natif. « Au début du projet, seules quelques images pouvaient être exploitées. Aujourd’hui, nous obtenons 80 à 90 % de tomogrammes exploitables — des volumes reconstruits à partir de séries d’images prises sous différents angles pour reconstituer la cellule en 3D. Cela nous permet de multiplier les observations et d’appliquer la méthode à toute sorte de tissus », décrit Amélie Leforestier.
Des perles hors norme
Le résultat le plus étonnant est la mise en évidence de nucléosomes atypiques enroulant plus ou moins d’ADN autour de leur protéine. Ces « super-nucléosomes » et « sous-nucléosomes », prédits par la théorie, n’avaient encore jamais été observés directement dans un noyau.
Ces particules sont rares (moins de 2 % des nucléosomes), mais elles ne seraient pas réparties au hasard. Elles apparaissent plutôt dans des zones du noyau où l’ADN semble actif, c’est-à-dire utilisé pour fabriquer de l’ARN. « Cela suggère qu’elles pourraient être liées à l’expression des gènes, mais ce n’est qu’une hypothèse », précise Amélie Leforestier.
Une prochaine étape sera donc de corréler ces structures atypiques avec des marqueurs de l’expression des gènes pour mieux comprendre leur origine. « Nous voulons tester si ces formes sont la cause ou la conséquence du passage des machines de transcription », explique la chercheuse. Autrement dit, déterminer si elles sont le fruit du passage de l’ARN polymérase — la machine qui lit l’ADN — ou, au contraire, si elles préparent le terrain pour faciliter cette lecture.
Mieux comprendre l’organisation de l’information génétique nous éclaire sur la régulation des gènes au cœur du développement, du vieillissement et de nombreuses pathologies. Au niveau fondamental, CRYOCHROM montre déjà que regarder de plus près change notre compréhension des chromosomes et donc du fonctionnement de nos cellules.
Extraits de cryo-tomogrammes de noyaux de cellules de Drosophile, permettant de visualiser la structure de base des chromosomes, dite en "collier de perles". Chaque "perle" - ou nucléosome - correspond à l'enroulement de l'ADN sur 1 tour ¾ autour d'un octamère de protéines histones (schématisé par un cylindre vert vert). La succession des "perles" forme un zig-zag irrégulier. Dans des nanodomaines dispersés dans le noyau sont observées des "perles" atypiques, autour desquelles est enroulé moins d'un tour d'ADN (en orange). Echelles 20 nm.
© Mikhail Eltsov / Fatima Taiki