Avant que les cellules puissent se diviser, elles doivent d’abord répliquer tous leurs chromosomes, afin que chacune des cellules filles puisse recevoir un ensemble complet de matériel génétique. Jusqu’à présent, les scientifiques pensaient qu’à mesure que la division se produisait, le génome perdait la structure interne 3D distinctive qu’il forme habituellement.
Une fois la division terminée, pensait-on, le génome retrouve progressivement cette structure globulaire complexe, qui joue un rôle essentiel dans le contrôle des gènes activés dans une cellule donnée.
Cependant, une nouvelle étude du MIT montre qu’en réalité, cette image n’est pas tout à fait exacte. En utilisant une technique de cartographie du génome à plus haute résolution, l’équipe de recherche a découvert que de petites boucles 3D reliant les éléments régulateurs et les gènes persistent dans le génome pendant la division cellulaire, ou mitose.
« Cette étude aide vraiment à clarifier la manière dont nous devrions considérer la mitose. Dans le passé, la mitose était considérée comme une page vierge, sans transcription ni structure liée à l'activité des gènes. Et nous savons maintenant que ce n'est pas tout à fait le cas », explique Anders Sejr Hansen, professeur agrégé de génie biologique au MIT. « Ce que nous constatons, c'est qu'il y a toujours une structure. Elle ne disparaît jamais. »
Les chercheurs ont également découvert que ces boucles de régulation semblent se renforcer lorsque les chromosomes deviennent plus compacts en vue de la division cellulaire. Ce compactage rapproche les éléments de régulation génétique et les encourage à se coller. Cela peut aider les cellules à « se souvenir » des interactions présentes dans un cycle cellulaire et à les transmettre au suivant.
Les résultats aident à relier la structure du génome à sa fonction dans la gestion de la manière dont les gènes sont activés et désactivés, ce qui constitue un défi exceptionnel dans le domaine depuis des décennies. »
Viraat Goel PhD '25, auteur principal de l'étude
Hansen et Edward Banigan, chercheur à l'Institute for Medical Engineering and Science du MIT, sont les auteurs principaux de l'article, qui paraît aujourd'hui dans Nature Biologie structurale et moléculaire. Leonid Mirny, professeur à l'Institut d'ingénierie médicale et des sciences du MIT et au Département de physique, et Gerd Blobel, professeur à la Perelman School of Medicine de l'Université de Pennsylvanie, sont également les auteurs de l'étude.
Une découverte surprenante
Au cours des 20 dernières années, les scientifiques ont découvert qu’à l’intérieur du noyau cellulaire, l’ADN s’organise en boucles 3D. Alors que de nombreuses boucles permettent des interactions entre des gènes et des régions régulatrices qui peuvent être distantes de plusieurs millions de paires de bases, d'autres se forment lors de la division cellulaire pour compacter les chromosomes. Une grande partie de la cartographie de ces structures 3D a été réalisée à l'aide d'une technique appelée Hi-C, développée à l'origine par une équipe comprenant des chercheurs du MIT et dirigée par Job Dekker de la Chan Medical School de l'Université du Massachusetts. Pour réaliser Hi-C, les chercheurs utilisent des enzymes pour découper le génome en plusieurs petits morceaux et relier biochimiquement les morceaux proches les uns des autres dans l'espace 3D du noyau de la cellule. Ils déterminent ensuite l’identité des pièces en interaction en les séquençant.
Cependant, cette technique n’a pas une résolution suffisamment élevée pour détecter toutes les interactions spécifiques entre les gènes et les éléments régulateurs tels que les activateurs. Les activateurs sont de courtes séquences d'ADN qui peuvent aider à activer la transcription d'un gène en se liant au promoteur du gène, le site où commence la transcription.
En 2023, Hansen et d’autres ont développé une nouvelle technique qui leur permet d’analyser les structures du génome 3D avec une résolution 100 à 1 000 fois supérieure à celle qui était auparavant possible. Cette technique, connue sous le nom de Region-Capture Micro-C (RC-MC), utilise une enzyme différente qui coupe le génome en petits fragments de taille similaire. Il se concentre également sur un segment plus petit du génome, permettant une cartographie 3D haute résolution d’une région ciblée du génome.
Grâce à cette technique, les chercheurs ont pu identifier un nouveau type de structure du génome jamais observé auparavant, qu'ils ont appelé « microcompartiments ». Ce sont de minuscules boucles hautement connectées qui se forment lorsque les amplificateurs et les promoteurs situés à proximité les uns des autres se collent.
Dans cet article, les expériences ont révélé que ces boucles n’étaient pas formées par les mêmes mécanismes qui forment d’autres structures du génome, mais les chercheurs n’ont pas pu déterminer exactement comment elles se forment. Dans l’espoir de répondre à cette question, l’équipe a entrepris d’étudier les cellules au fur et à mesure de leur division cellulaire. Pendant la mitose, les chromosomes deviennent beaucoup plus compacts, de sorte qu'ils peuvent être dupliqués, triés et répartis entre deux cellules filles. Ce faisant, les structures génomiques plus grandes appelées compartiments A/B et domaines d’association topologique (TAD) disparaissent complètement.
Les chercheurs pensaient que les microcompartiments qu’ils avaient découverts disparaîtraient également au cours de la mitose. En suivant les cellules tout au long du processus de division cellulaire, ils espéraient apprendre comment les microcompartiments apparaissent une fois la mitose terminée.
« Pendant la mitose, on pensait que presque toute la transcription des gènes était interrompue. Et avant notre article, on pensait également que toute la structure 3D liée à la régulation des gènes était perdue et remplacée par le compactage. Il s'agit d'une réinitialisation complète à chaque cycle cellulaire », explique Hansen.
Cependant, à leur grande surprise, les chercheurs ont découvert que des microcompartiments étaient encore visibles pendant la mitose et qu'en fait, ils devenaient plus proéminents à mesure que la cellule se division.
« Nous avons commencé cette étude en pensant : eh bien, la seule chose dont nous sommes sûrs, c'est qu'il n'y a pas de structure régulatrice dans la mitose, puis nous avons accidentellement découvert une structure dans la mitose », explique Hansen.
Grâce à leur technique, les chercheurs ont également confirmé que les structures plus grandes telles que les compartiments A/B et les TAD disparaissent effectivement au cours de la mitose, comme cela avait été observé auparavant.
« Cette étude exploite la résolution génomique sans précédent du test RC-MC pour révéler des aspects nouveaux et surprenants de l'organisation de la chromatine mitotique, que nous avons négligés dans le passé en utilisant des tests traditionnels basés sur le 3C. Les auteurs révèlent que, contrairement à la perte dramatique bien décrite des TAD et à la compartimentation au cours de la mitose, des « microcompartiments » à petite échelle – des interactions imbriquées entre les éléments régulateurs actifs – sont maintenu, voire temporairement renforcé », explique Effie Apostolou, professeur agrégé de biologie moléculaire en médecine à Weill Cornell Medicine, qui n'a pas participé à l'étude.
Un pic de transcription
Selon les chercheurs, ces résultats pourraient expliquer un pic de transcription génétique qui se produit généralement vers la fin de la mitose. Depuis les années 1960, on pensait que la transcription s’arrêtait complètement pendant la mitose, mais en 2016 et 2017, quelques études ont montré que les cellules subissaient un bref pic de transcription, qui était rapidement supprimé jusqu’à ce que la cellule finisse de se diviser.
Dans leur nouvelle étude, l’équipe du MIT a découvert que pendant la mitose, les microcompartiments sont plus susceptibles de se trouver à proximité des gènes qui augmentent lors de la division cellulaire. Ils ont également découvert que ces boucles semblent se former à la suite du compactage du génome qui se produit pendant la mitose. Ce compactage rapproche les activateurs et les promoteurs, leur permettant de se coller pour former des microcompartiments.
Une fois formées, les boucles qui constituent les microcompartiments peuvent activer quelque peu accidentellement la transcription des gènes, qui est ensuite interrompue par la cellule. Lorsque la cellule finit de se diviser et entre dans un état appelé G1, bon nombre de ces petites boucles s’affaiblissent ou disparaissent.
« Il semble presque que ce pic de transcription dans la mitose soit un accident indésirable résultant de la génération d'un environnement particulièrement favorable à la formation de microcompartiments pendant la mitose », explique Hansen. « Ensuite, la cellule élague et filtre rapidement bon nombre de ces boucles lorsqu'elle entre dans G1. »
Étant donné que le compactage des chromosomes peut également être influencé par la taille et la forme d'une cellule, les chercheurs explorent maintenant comment les variations de ces caractéristiques affectent la structure du génome et, par conséquent, la régulation des gènes.
« Nous réfléchissons à certains paramètres biologiques naturels dans lesquels les cellules changent de forme et de taille, et si nous pouvons peut-être expliquer certains changements du génome 3D qui manquaient auparavant d'explication », explique Hansen. « Une autre question clé est de savoir comment la cellule choisit-elle ensuite quels sont les microcompartiments à conserver et quels sont les microcompartiments à supprimer lorsque vous entrez dans G1, pour garantir la fidélité de l'expression des gènes ? »
La recherche a été financée en partie par les National Institutes of Health, un prix CAREER de la National Science Foundation, l'Observatoire de régulation génétique du Broad Institute, un prix Pew-Steward Scholar pour la recherche sur le cancer, la Fondation Mathers, le Fonds MIT Westaway, le Bridge Project de l'Institut Koch et du Dana-Farber/Harvard Cancer Center, et la subvention de soutien (de base) de l'Institut Koch de l'Institut national du cancer.
