Des chercheurs de l'Université Rice progressent dans la compréhension de la façon dont les structures chromosomiques évoluent tout au long du cycle de vie de la cellule. Leur étude sur les processus motorisés qui influencent activement l'organisation des chromosomes a été publiée dans la revue Actes de l'Académie nationale des sciences.
« Cette recherche permet de mieux comprendre comment les processus motorisés façonnent les structures chromosomiques et influencent les fonctions cellulaires », a déclaré Peter Wolynes, co-auteur de l'étude et professeur de sciences de la Fondation DR Bullard-Welch. Wolynes est également professeur de chimie, de biosciences, de physique et d'astronomie et codirecteur du Centre de physique biologique théorique (CTBP).
La recherche présente deux types de modèles de chaînes motorisées : les moteurs de natation et les moteurs de lutte. Ces moteurs jouent des rôles distincts dans la manipulation de la structure des chromosomes.
Les moteurs de nage, similaires aux ARN polymérases (enzymes qui copient les séquences d'ADN en ARN), contribuent à étendre et à contracter la fibre de chromatine au fur et à mesure que les gènes sont décodés. Les moteurs de grappin rapprochent des segments éloignés des fibres de chromatine, créant ainsi des corrélations à longue portée nécessaires pour maintenir le nœud chromosomique libre.
Les protéines motrices, qui consomment de l’énergie chimique, jouent un rôle essentiel dans la formation de l’architecture des chromosomes. Les chercheurs ont étudié l’impact de ces protéines sur les chaînes polymères idéales. Ils ont découvert que les moteurs de nage peuvent entraîner une contraction ou une expansion en fonction des forces exercées. En revanche, les moteurs de grappin produisent des effets à longue portée cohérents, conformes aux modèles observés dans les expériences Hi-C, qui identifient les interactions de la chromatine dans le noyau cellulaire pendant l’interphase, une étape du cycle cellulaire où une cellule ne se divise pas et où les chromosomes sont décondensés et répartis dans tout le noyau. Les moteurs qui font cela sont particulièrement faibles et s’arrêteraient facilement lors de la formation de boucles, les chercheurs ont donc cherché un moyen de les accélérer.
Cette étude est remarquable par son utilisation de la modélisation théorique de l'organisation de la chaîne chromosomique par les protéines motrices.
Zhiyu Cao, co-auteur de l'étude et étudiant diplômé au CTBP
En utilisant une approche de mécanique statistique, les chercheurs ont créé une description cohérente qui prédit la distribution spatiale des probabilités d'extrusion de boucle. Ce modèle a permis de comprendre comment les réponses des moteurs aux forces exercées par l'ADN qui bascule de manière aléatoire peuvent être surmontées, afin qu'ils puissent toujours effectuer l'emballage nécessaire pour insérer la longue chaîne de chromosomes dans le noyau cellulaire microscopique.
L’organisation tridimensionnelle des chromosomes affecte les processus biologiques vitaux tels que la réplication de l’ADN et la différenciation des cellules à mesure que les embryons se développent.
Cette étude a été financée par la chaire Bullard-Welch de Rice (subvention C-0016) et le Centre de physique biologique théorique parrainé par la National Science Foundation (subvention PHY-2019745).
