La vie commence avec une cellule. Lorsqu'un organisme se développe, les cellules en division se spécialisent pour former la variété de tissus et d'organes qui constituent le corps adulte, tout en conservant le même matériel génétique, contenu dans notre ADN. Dans un processus connu sous le nom de transcription, des parties de l'ADN - les gènes - sont copiées dans une molécule messagère - l'acide ribonucléique (ARN) - qui transporte les informations nécessaires à la production de protéines, les éléments constitutifs de la vie. Les parties de notre ADN qui sont lues et transcrites déterminent le destin de nos cellules. Les lecteurs de l'ADN sont des protéines appelées facteurs de transcription :ils se lient à des sites spécifiques de l'ADN et activent le processus de transcription. Comment ils reconnaissent à quel endroit de l'ADN ils doivent se lier et comment ceux-ci se distinguent des autres sites de liaison aléatoires dans le génome reste une question ouverte. Des scientifiques de l'Institut Max Planck de biologie cellulaire moléculaire et de génétique (MPI-CBG) et de l'Institut Max Planck de physique des systèmes complexes (MPI-PKS), tous deux situés à Dresde, montrent que des milliers de facteurs de transcription individuels s'associent et interagissent avec l'un l'autre. Ils mouillent collectivement la surface de l'ADN en formant des gouttelettes liquides qui peuvent identifier des grappes de sites de liaison à la surface de l'ADN.

La transcription, l'un des processus cellulaires les plus fondamentaux, est l'action par laquelle l'information contenue dans l'ADN est transcrite en ARN, la molécule messagère. Ce "message" est ensuite traduit en protéines. Décider quelles parties de l'ADN sont transcrites à un moment donné est crucial pour le bon développement afin de maintenir la santé d'un organisme, car de nombreuses maladies sont susceptibles de survenir lorsque les programmes génétiques ne sont pas exécutés correctement. La décision quant aux gènes à transcrire est prise par un réseau complexe de protéines régulatrices appelées facteurs de transcription. Bien que ces facteurs se lient à de courtes séquences d'ADN, la reconnaissance de groupes de nombreuses séquences de ce type est nécessaire pour activer les gènes voisins.

Les groupes de recherche de Stephan Grill et Anthony Hyman, tous deux directeurs au MPI-CBG, et le groupe de Frank Jülicher, directeur au MPI-PKS ont enquêté dans leur récente étude dans la revue Nature Physics comment les facteurs de transcription trouvent et reconnaissent des grappes de nombreuses séquences d'ADN spécifiques où ils peuvent se lier et conduire à l'activation des gènes. Pour le découvrir, les chercheurs ont suivi une approche interdisciplinaire, combinant une expertise en biophysique expérimentale et théorique avec la biologie cellulaire. Jose A. Morin, l'un des premiers auteurs de l'étude, explique :"Nous avons utilisé des pincettes optiques - une technologie qui utilise des lasers pour isoler et manipuler de très petits objets tels que des molécules d'ADN uniques - combinées à la microscopie confocale pour les regarder individuellement. Avec des pincettes optiques, il est possible de capturer une seule molécule d'ADN et avec la microscopie confocale, nous pouvons observer des facteurs de transcription se liant et formant des condensats de protéines à leurs séquences d'ADN préférées.Le fait que nous puissions étudier ce processus une molécule à la fois nous a permis de détecter des interactions. autrement brouillé par la complexité de la cellule vivante." Sina Wittmann, un autre premier auteur, ajoute :"Avec l'aide des physiciens, nous avons pu comprendre comment les facteurs de transcription communiquent entre eux et s'assemblent grâce à un travail d'équipe. Ils subissent ce qu'on appelle une transition de prémouillage pour former des gouttelettes de type liquide, qui sont similaires aux gouttes sur un miroir dans votre salle de bain après une douche. Ces condensats sont remplis de milliers de facteurs de transcription. Assemblés de cette manière, les facteurs de transcription peuvent maintenant identifier la bonne région d'ADN en lisant la séquence d'ADN."

Stephan Grill résume :« Nous avons maintenant une explication mécaniste possible de la localisation des facteurs de transcription le long du génome. C'est essentiel pour comprendre comment l'expression des gènes est régulée. Sachant que cette régulation s'effondre dans les maladies du développement et le cancer, ces nouveaux résultats nous permettent de mieux comprendre comment ces maladies surviennent. Cette connaissance est importante pour réfléchir à de nouvelles options thérapeutiques qui tiennent compte du travail d'équipe des facteurs de transcription.