Reflets de la Physique n°57 avr/mai 2018
Reflets de la Physique n°57 avr/mai 2018
  • Prix facial : gratuit

  • Parution : n°57 de avr/mai 2018

  • Périodicité : bimestriel

  • Editeur : Société Française de Physique

  • Format : (210 x 297) mm

  • Nombre de pages : 48

  • Taille du fichier PDF : 5,8 Mo

  • Dans ce numéro : dossier micronageurs naturels et artificiels.

  • Prix de vente (PDF) : gratuit

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Glossaire Blob  : représentation schématique d’un segment de polymère sous forme de bille, dont le diamètre est égal à la longueur de corrélation des fluctuations de concentration des monomères. À l’intérieur d’un blob, les monomères interagissent (par répulsion stérique essentiellement), tandis que les monomères de deux blobs différents n’ont pas d’interaction  : les polymères se comportent donc comme des marches aléatoires de blobs. Dans une brosse, les chaînes tendent à s'aligner, comme les poils d’un tapis dru, et ne s'enchevêtrent pas. Centromère  : les deux copies d’un chromosome obtenues après réplication du matériel génétique commencent par rester accrochées au niveau d’une région du génome, appelée centromère (les deux copies, appelées chromatides sœurs, forment alors un X). Épigénétique  : se dit d’une modification chimique qui affecte une base de l’ADN (pour l’essentiel méthylation, c’est-à-dire ajout d’un groupement méthyle) ou les histones (méthylation, acétylation, etc.), mais qui ne change pas la séquence génomique. Expression génétique  : un gène est exprimé quand sa séquence d’ADN est transcrite en ARN messager (en réponse à un message biochimique). Il est réprimé si des modifications épigénétiques empêchent sa transcription. Histones  : protéines portant une forte charge positive ; chaque nucléosome est un assemblage de huit histones, stabilisé par la charge négative de la double hélice d’ADN. kb  : kilobase, c'est-à-dire 1000 paires de bases. Nucléotides  : un nucléotide est une molécule composée d’un sucre (pentose), d’un groupement phosphate et d’une base particulière. On repère chaque nucléotide d’une séquence d’ADN par l’initiale de la base qu’il porte  : A (Adénine), T (Thymine), G (Guanine), C (Cytosine). Site génomique  : séquence d’ADN située à un endroit unique et invariable du génome. Sa longueur dépend du contexte biologique et/ou expérimental, allant de quelques paires de base pour un site de liaison d'une protéine jusqu'à plusieurs kb lorsque la résolution expérimentale ne permet pas de déterminer plus finement la localisation. 14 Reflets de la Physique n°57 » > cellule à l’autre suggère que le chromosome est un objet dynamique présentant de larges fluctuations. L’origine physique de ces fluctuations n’est cependant pas claire  : s’agit-il simplement de fluctuations thermiques autour de l’équilibre ? Ou bien des processus actifs sont-ils en cause ? Pour répondre à ces questions, des mesures dynamiques sont nécessaires, comme discuté ci-dessous. La levure de bière  : une brosse de polymères Un organisme de choix pour observer la dynamique des chromosomes est la levure de bière. Cet organisme unicellulaire a un génome presque mille fois plus petit que le génome humain (seulement 13 Mb au total) et très peu de marques épigénétiques. Cette simplification laisse espérer que la physique des polymères puisse être un guide pertinent dans ce cas. La disposition particulière des seize chromosomes de la levure de bière, accrochés en permanence à la membrane nucléaire chacun par son centromère* (fig. 3a), suggère que leur organisation dans l’espace pourrait être celle d’une brosse de polymères à l’équilibre thermodynamique (fig. 3b). Une collaboration avec trois a b D D équipes toulousaines qui ont suivi par microscopie de fluorescence la dynamique de plusieurs sites génomiques de chromosomes de levure dans des cellules vivantes, nous a permis de confirmer cette hypothèse [3]. Pour modéliser cette dynamique, nous avons (i) analysé les mesures au cours du temps du déplacement carré moyen de divers sites génomiques marqués et (ii) simulé un ensemble de chaînes billeressort (modèle de Rouse, fig. 4a) de longueur équivalente à celles des chromosomes, accrochées par leur milieu à la membrane nucléaire et confinées dans un volume sphérique. Aussi bien dans l’expérience que dans la simulation, la dynamique observée (fig. 4b) présente un comportement sous-diffusif  : le déplacement carré moyen varie avec le temps t commet 1/2 (fig. 4c) au lieu det pour un comportement diffusif. Ce comportement sous-diffusif, appelé « dynamique de Rouse », est classique en physique des polymères  : il vient du fait que la diffusion d’une bille est contrainte par ses voisines immédiates, auxquelles elle est reliée par des ressorts. Et on reste constamment dans ce régime de Rouse, car la structure en brosse empêche les chromosomes de s’enchevêtrer. 3. Brosse de polymères. (a) Représentation schématique d’un noyau de levure de bière. Les chromosomes sont représentés par des chaînes de billes (en bleu). Chaque chromosome est attaché à la membrane nucléaire par son centromère* (en rouge). Tous les centromères sont attachés ensemble. (b) Schéma (coupe) d’une brosse de polymères. Tous les polymères (chaînes en bleu) sont greffés sur une surface à intervalles réguliers (la distance D entre polymères adjacents est aussi le diamètre des blobs*). Les blobs sont figurés par les billes bleues transparentes. La trajectoire d’une chaîne en particulier, dont les blobs sont surlignés en rose, montre qu’elle ne revient pas en arrière vers la surface de greffage (« polymère dirigé ») , mais qu’elle effectue une marche aléatoire dans les directions transverses. D
i FUn Langevin polymère-chromosome aléatoire fonctionnel F ressort i+1 > i Ainsi, υ i i il est très étonnant que l’organisation 0,01 υ des chromosomes dans un noyau de levure i F ressort i-1 > i i+1 soit essentiellement fixée par la physique F ressort i-1 > i classique des polymères. Or, l’organisation 0,001 nucléaire, impliquée chez les organismes pluricellulaires dans des processus aussi 10 mystérieux que la différenciation cellulaire o 4 10 5 10 6 10 7 temps (u.a) a c et le développement embryonnaire, est aussi à l’œuvre tout au long de la vie de la cellule dans les grandes fonctions que sont i-1 F 0,1 la régulation de l’expression des gènes, la Langevin aléatoire réparation des cassures Fde Langevin l’ADN, frottement lai F ressort i+1 > i réplication du génome et l’ensemble des 0,01 i+1 mécanismes qui assurent la division cellulaire (en particulier la bonne ségrégation des 0,001 chromosomes dans les deux cellules filles). Ces phénomènes complexes concernent aussi la levure de bière. On peut donc espérer que la physique des polymères – adaptée pour traiter des objets aussi complexes que les polymères-chromosomes 4. Dynamique d’un chromosome de levure de bière. o b (a) Représentation schématique du modèle bille-ressort (aussi appelé modèle de Rouse). décrits dans cet article – soit aussi pertinente pour les organismes pluricellulaires. et chocs aléatoires). Chaque bille est soumise à la force des ressorts et aux forces de Langevin (friction visqueuse C’est autour de cette question que nous (b) Instantané de simulation d’un chromosome de levure, dont le noyau peut être simulé continuons à développer notre recherche.comme un ensemble de chaînes bille-ressort ancrées à la membrane nucléaire, chacune Nous ne sommes pas seuls dans cette par son milieu et évoluant dans un volume sphérique sous l'effet de l'agitation thermique. aventure  : nous interagissons avec un Les lignes bleues correspondent, pour une chaîne donnée, à un échantillon de configurations prises à des instants différents. Une de ces configurations est tracée en ligne épaisse, agrandie grand nombre d’équipes françaises expérimentales et théoriques, en biologie, on peut suivre son mouvement erratique au cours du temps. à droite. Lorsqu’un monomère est marqué comme dans les expériences (point en jaune), physique et médecine, grâce au « GdR (c) Déplacement carré moyen d’un monomère. Le mouvement d’un monomère est caractérisé ADN », réseau de recherche thématique par son déplacement carré moyen (mean square displacement ou MSD). Aussi bien dans les interdisciplinaire du CNRS consacré à expériences que dans les simulations on observe que le MSD augmente commet 1/2 sur plusieurs l’architecture et la dynamique nucléaires décades, au lieu det comme ce serait le cas pour une diffusion normale. Le déplacement quadratique moyen (root-mean-square displacement ou RMSD), égal à la racine carrée du MSD, (http://gdradn.lptmc.jussieu.fr), que nous est une mesure de la taille du domaine exploré par le site génomique  : il est ici comparable avons lancé en 2012. Le problème est loin à la taille du noyau (environ 400 nm pour les plus longues trajectoires enregistrées). d’être résolu mais, si la route est encore longue, l’enthousiasme est partagé ! ❚ Pour en savoir plus (a) Les organismes eucaryotes comprennent en particulier les animaux, les plantes et les champignons. Leurs cellules ont un noyau qui contient les chromosomes. (b) Chaque paire de base a une longueur de 0,34 nm selon l’axe de la double hélice, donc 100 Mb d’ADN correspondent à une longueur de 3,4 cm en suivant la molécule d’ADN. (c) 22 paires d’autosomes (chromosomes non sexuels) plus deux chromosomes sexuels. (d) C’est seulement au cours de la division cellulaire que les chromosomes s’individualisent et apparaissent sous forme de bâtonnets, comme dans les caryotypes. Nous remercions nos collaborateurs passés et présents sur ces sujets de recherche, en particulier Aurélien Bancaud, Bertrand Caré, Pascal Carrivain, Ruggero Cortini, Christophe Lavelle, Hua Wong. i-1 F Langevin frottement F Langevin aléatoire F ressort i+1 > i 1r. Cortini et al., «The physics of epigenetics», Reviews of Modern Physics 88 (2016) 025002. 2 A. Lesne et al., «Reconstructing 3D genomes from chromosomal contact maps», Nature Methods 11 (2014) 1141-1143. Voir également la revue de presse www.cnrs.fr/inp/spip.php ? article3225. 3 H. Hajjoul et al., «High-throughput chromatin motion tracking in living yeast reveals the flexibility of the fiber throughout the genome», Genome Research 23 (2013) 1829-1838. 4 P.Carrivain, M. Barbi et J.M. Victor, «In silico single-molecule manipulation with rigid body dynamics : an efficient tool», PLOS Computational Biology 10 (2013) e1003456. Voir également la revue de presse www.cnrs.fr/inp/spip.php ? article2645. déplacement carré moyen (μm 2) 0,1 Avancées de la recherche υ i F ressort i-1 > i 10 4 10 5 te A. Bancaud et al., «Torsional plasticity of single chromatin fibers revealed by torsional manipulation», Nat. Struc. Mol. Biol. 13 (2006) 444-450. A. Boettiger et al., «Super-resolution imaging reveals distinct chromatin folding for different epigenetic states», Nature 529 (2016) 418-422.L. Lazar-Stefanita et al., «Cohesins and condensins orchestrate the 4D dynamics of yeast chromosomes during the cell cycle», EMBO J. 36 (2017) 2684-2697. www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/28729434. S. Wang et al., «Spatial organization of chromatin domains and compartments in single chromosomes», Science 353 (2016) 598-602. déplacement carré moyen (μm 2) Reflets de la Physique n°57 15



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