Olga Dudko utilise un cordon de charge pour démontrer les interactions génomiques au sein du noyau d'une cellule. Crédit :Michelle Fredricks, Sciences physiques de l'UC San Diego
Les Boucles d'or de la renommée des contes de fées savaient quelque chose à propos de la bouillie. Il devait être juste, ni trop chaud ni trop froid. Même chose avec les meubles, ni trop durs ni trop mous. Dans un autre contexte, les scientifiques de l'UC San Diego savent quelque chose sur l'ADN. Ils savent que les brins de notre code génétique, si prolongé, mesurerait deux mètres, ou environ six pieds. Ils savent également que les brins se replient et se déplacent dans le noyau cellulaire de la taille d'environ un centième de millimètre. Mais ils ne savent pas comment et dans quel état de la matière cela se produit, alors ils ont décidé de vérifier.
Inspiré des idées de la physique des transitions de phase et de la physique des polymères, des chercheurs des divisions des sciences physiques et biologiques de l'UC San Diego ont spécifiquement cherché à déterminer l'organisation de l'ADN à l'intérieur du noyau d'une cellule vivante. Les conclusions de leur étude, récemment publié dans Communication Nature , suggèrent que l'état de phase de l'ADN génomique est "juste" - un gel en équilibre à la limite de phase entre le gel et le sol, la transition de phase solide-liquide.
Pensez au pudding, panna cotta ou même du porridge. La consistance de ces délices doit être juste pour être idéalement appréciée. De même que la transition de phase "sol-gel", selon les scientifiques, semble juste pour expliquer le calendrier des interactions génomiques qui dictent l'expression des gènes et la recombinaison somatique.
"Cette découverte indique un principe physique général d'organisation chromosomique, qui a des implications importantes pour de nombreux processus clés en biologie, de la production d'anticorps à la différenciation tissulaire, " a déclaré Olga Dudko, biophysicien théorique et professeur au Département de physique de l'UC San Diego, qui a collaboré avec son collègue Cornelis Murre, professeur distingué à la Section de biologie moléculaire, sur l'étude.
Avec l'ancien étudiant diplômé de Dudko, Yaojun Zhang, maintenant chercheur postdoctoral à Princeton, et le chercheur postdoctoral de Murre, Nimish Khanna, l'équipe a collecté et analysé des données sur le mouvement de l'ADN à l'intérieur des cellules B de mammifères vivants de souris pour comprendre comment les interactions génomiques à distance génèrent un pool diversifié d'anticorps par le système immunitaire adaptatif.
Bin Wang, étudiant diplômé en physique, qui travaille avec Dudko, présente les aspects temporels et spatiaux de la recherche. Crédit :Michelle Fredricks, Sciences physiques de l'UC San Diego
Chez les mammifères, comme les rongeurs et les humains, les segments de gène d'immunoglobine sont disposés en groupes de variable (V), des segments de diversité (D) et de jonction (J). Ces V, Les segments D et J se combinent aléatoirement par le processus de recombinaison somatique. Cela se produit avant le contact avec l'antigène et pendant le développement des cellules B dans le tissu lymphoïde du système immunitaire, ou la moelle osseuse. Ces interactions génétiques aléatoires se traduisent par divers codes protéiques qui correspondent aux antigènes qui activent les lymphocytes.
Les scientifiques ont examiné les diverses interactions entre les segments des gènes V et DJ. Bien que la manière exacte dont ces interactions se produisent reste inconnue, les chercheurs de l'UC San Diego ont développé une stratégie pour suivre le mouvement V et DJ dans les lymphocytes B. Ils ont découvert que les segments V et DJ étaient piégés dans des configurations qui n'autorisaient qu'un mouvement local, en d'autres termes, les segments restaient spatialement proximaux s'ils étaient initialement proches ou ils restaient séparés s'ils étaient initialement spatialement distants. Les chercheurs ont également observé, dans un sous-ensemble de cellules, changements brusques dans le mouvement V et DJ, vraisemblablement causée par des changements temporels de la chromatine.
En comparant les données expérimentales et simulées, les scientifiques ont conclu que le mouvement contraint est imposé par un réseau de chaînes de chromatine réticulées, ou un maillage de ponts entre les brins d'ADN caractéristiques d'une phase gel. Encore, la quantité de ces réticulations est "juste" pour équilibrer l'ADN près de la phase sol—une phase liquide décrivant une solution de chaînes non réticulées.
Ce modèle a suggéré aux scientifiques qu'il existe un certain principe d'organisation de l'ADN génomique - la proximité de la transition de phase sol-gel - qui explique comment le génome peut simultanément posséder stabilité et réactivité au sein du noyau.
Ces résultats indiquent que le modèle d'emballage de l'ADN dans le noyau d'une cellule a des conséquences sur le destin d'une cellule, qu'elle devienne une cellule vivante ou malade.
"Nous avons des théories rigoureuses de la physique - des principes abstraits et des équations mathématiques. Nous avons des expériences de pointe sur la biologie - un suivi innovant des segments de gènes dans les noyaux de cellules de mammifères vivants, " a noté Zhang. " Cela m'étonne et m'excite vraiment lorsque les deux aspects fusionnent de manière cohérente en une seule histoire, où la physique n'est pas seulement un outil pour décrire la dynamique des segments de gènes, mais aide à déterminer l'état physique du génome, et met en lumière l'impact des propriétés physiques de cet état sur sa fonction biologique.
