Comprendre le comportement des nucléosomes pendant la mitose

Les cellules individuelles se divisent par un processus appelé mitose, au cours duquel l'ADN copié de la cellule est séparé entre deux cellules filles résultantes. Malgré les progrès récents de la biologie cellulaire, le mécanisme par lequel l'ADN se condense pendant la mitose est encore mal compris. Des chercheurs ont récemment suivi de petits segments d'ADN enroulés autour de protéines histones, appelées nucléosomes, pour mieux caractériser le comportement des nucléosomes pendant la division cellulaire.

L'ADN est organisé en chromatine, qui sont des structures dynamiques composées d'ADN, d'ARN et de protéines qui régulent l'accessibilité des gènes pour l'expression et la configuration globale du matériel génétique dans la cellule. Les protéines histones, par exemple, sont des protéines chargées positivement qui se lient à l'ADN chargé négativement. L'ADN s'enroule autour de ces protéines histones pour former des nucléosomes, qui aident à condenser près de six pieds d'ADN génomique humain en un noyau de seulement 10 micromètres (1 x 10^-6 m) à travers.

Lors de la mitose, l’ADN se condense avant d’être divisé entre deux cellules filles. Un complexe protéique appelé condensines intervient dans l’assemblage des chromosomes condensés. Cependant, les chercheurs ne savent toujours pas comment les cellules parviennent à assembler les chromosomes lors de la division cellulaire. Pour résoudre ce problème, une équipe de chercheurs de l’Institut national de génétique de Mishima, au Japon, qui fait partie de l’Organisation de recherche sur l’information et les systèmes (ROIS), a utilisé l’imagerie d’un seul nucléosome pour révéler les facteurs qui contribuent à l’organisation et à la compaction des chromosomes lors de la mitose dans les cellules vivantes (Film).

L'équipe a publié l'étude le 25 août dans Nature Communications« L'assemblage des chromosomes mitotiques est un processus essentiel pour la transmission des chromosomes répliqués à deux cellules filles lors de la division cellulaire. Bien que des facteurs protéiques comme les condensines jouent un rôle clé dans ce processus, on ne sait pas exactement comment les nucléosomes, les éléments constitutifs de la chromatine, se comportent lors de l'assemblage des chromosomes et comment les condensines agissent sur les nucléosomes pour organiser les chromosomes. Pour étudier ces points, nous avons suivi le mouvement des nucléosomes individuels pendant la division cellulaire dans des cellules humaines vivantes à l'aide d'un microscope à super-résolution », a déclaré Kazuhiro Maeshima, professeur à l'Institut national de génétique et à SOKENDAI (l'Université des études supérieures avancées) à Mishima, au Japon.

L'équipe a observé que les nucléosomes sont beaucoup plus contraints pendant la mitose que les cellules en interphase. Les nucléosomes étaient plus contraints lorsque les chromosomes étaient déplacés vers les pôles opposés de la cellule pendant l'anaphase, une phase spécifique de la division cellulaire. Ces contraintes ont été relâchées pendant la télophase, la dernière phase de la division cellulaire, lorsque la décompaction des chromosomes commence.

L'équipe a également réalisé des expériences d'épuisement des condensines pour étudier le processus de contrainte pendant la mitose. Ils ont découvert que l'épuisement des condensines provoquait des formes anormales des chromosomes et augmentait le mouvement des nucléosomes. Cette observation soutient un modèle d'organisation des chromosomes dans lequel les condensines forment des boucles pour contraindre les nucléosomes. Fait important, Yuji Sakai de l'Université de la ville de Yokohama a pu récapituler leurs observations à l'aide d'une modélisation informatique (Film).

Nos résultats ont révélé que, lorsque les chromosomes sont assemblés au cours de la division cellulaire, le mouvement des nucléosomes devient de plus en plus limité. Les condensines fonctionnent comme des « réticulants moléculaires », maintenant les nucléosomes en place pour organiser les chromosomes. De plus, les interactions entre les nucléosomes, facilitées par les queues des protéines histones, contribuent à compacter davantage les chromosomes.

Kayo Hibino de l'Institut national de génétique et SOKENDAI

La modélisation informatique de l'équipe et l'absence de condensines à la périphérie des chromosomes suggèrent que d'autres facteurs contraignants peuvent contribuer à la condensation des chromosomes pendant la mitose. En réduisant la charge positive des protéines histones avec le réactif trichostatine A (TSA), les chercheurs ont observé une augmentation du mouvement des nucléosomes (Figure), similaire aux résultats des expériences d'épuisement des condensines.

Dans l'ensemble, l'équipe a découvert que les condensines sont responsables de la contrainte des nucléosomes autour d'un axe chromosomique pendant la mitose par la formation de boucles, et que les interactions nucléosome-nucléosome via les queues d'histones contribuent à la condensation globale des chromosomes (Figure). Des recherches supplémentaires sont nécessaires pour déterminer exactement comment les condensines forment les boucles d'ADN et comment les interactions nucléosome-nucléosome et la formation de boucles interagissent pour assembler les chromosomes.

Français Les autres contributeurs à cette recherche incluent Katsuhiko Minami, Masa A. Shimazoe du Laboratoire de dynamique du génome de l'Institut national de génétique et de l'Institut universitaire de hautes études avancées de SOKENDAI, tous deux à Mishima, au Japon ; Sachiko Tamura du Laboratoire de dynamique du génome de l'Institut national de génétique ; Masatoshi Takagi du Laboratoire de dynamique cellulaire du RIKEN Cluster for Pioneering Research à Wako, au Japon, et du Laboratoire de dynamique des fonctions cellulaires du RIKEN Center for Brain Science à Wako, au Japon ; Toyoaki Natsume de l'Institut universitaire de hautes études avancées de SOKENDAI, du Laboratoire d'ingénierie cellulaire moléculaire de l'Institut national de génétique de Mishima, au Japon, et du Centre de recherche sur le génome et les sciences médicales de l'Institut métropolitain des sciences médicales de Tokyo, au Japon ; Masato T. Kanemaki de l'Institut universitaire de hautes études avancées de SOKENDAI, du Laboratoire d'ingénierie cellulaire moléculaire de l'Institut national de génétique de Mishima, au Japon, et du Département des sciences biologiques de l'Université de Tokyo, au Japon ; et Naoko Imamoto du Laboratoire de dynamique cellulaire du RIKEN Cluster for Pioneering Research et de l'École supérieure de gestion de la sécurité médicale de l'Université Jikei des sciences de la santé à Osaka, au Japon.