Les chromosomes humains sont de longues chaînes polymères qui stockent des informations génétiques. Le noyau de chaque cellule contient l'intégralité du génome humain (ADN) codé sur 46 chromosomes d'une longueur totale d'environ 2 mètres. Pour s'insérer dans le noyau cellulaire microscopique et fournir en même temps un accès constant à l'information génétique, les chromosomes sont repliés dans le noyau d'une manière spéciale et prédéterminée. Le repliement de l'ADN est une tâche urgente à l'intersection de la physique des polymères et de la biologie des systèmes.

Il y a quelques années, comme l'un des mécanismes de repliement des chromosomes, les chercheurs ont avancé l'hypothèse d'une extrusion active des boucles sur les chromosomes par des moteurs moléculaires. Bien que la capacité des moteurs à extruder l'ADN in vitro ait été démontrée, l'observation expérimentale des boucles dans une cellule vivante est une tâche techniquement très difficile, voire impossible.

Une équipe de scientifiques de Skoltech, du MIT et d'autres organisations scientifiques de premier plan en Russie et aux États-Unis ont présenté un modèle physique d'un polymère plié en boucles. La solution analytique de ce modèle a permis aux scientifiques de reproduire les caractéristiques universelles de l'empilement des chromosomes sur la base des données expérimentales :l'image montre la courbe dérivée pic-creux de la probabilité de contact.

Les travaux théoriques permettront aux chercheurs de comprendre comment l'extrusion de boucles affecte les propriétés biophysiques du chromosome et d'extraire les paramètres de ces boucles à partir des données expérimentales. L'article est publié dans Physical Review X .

"L'extrusion des boucles par les moteurs, comme c'est souvent le cas en biologie, est aléatoire :elles se forment et disparaissent constamment. Ceci explique notamment pourquoi leur détection expérimentale dans une seule cellule vivante est si difficile. Nous avons adopté une approche différente. Nous avons développé une théorie physique qui montre comment des boucles distribuées de manière aléatoire sur un polymère affecteraient l'organisation spatiale du polymère. Ensuite, nous avons analysé les données expérimentales sur l'emballage spatial des chromosomes obtenus sur des milliards de cellules vivantes et y avons trouvé les mêmes caractéristiques statistiques. déclare Kirill Polovnikov, l'auteur principal de l'étude, professeur adjoint et chef du groupe de recherche à Skoltech.

La théorie développée a permis de déterminer la taille typique des boucles chromosomiques et leur densité. De plus, les auteurs ont découvert un nouvel effet topologique associé aux boucles. Lorsque les boucles sont extrudées, l'épine dorsale de la chaîne se raccourcit, mais elle s'étire dans l'espace tridimensionnel en raison de l'effet dit de « dilution des enchevêtrements » dans le système polymère.

Les scientifiques ont développé un modèle analytique de cet effet et ont également confirmé leurs résultats par des simulations informatiques. La théorie aide à identifier et à caractériser les boucles chromosomiques à l'aide de données expérimentales et modifie notre compréhension de l'organisation topologique des chromosomes dans une cellule vivante.

"Tout comme les astrophysiciens découvrent de nouvelles exoplanètes grâce à la diminution de la luminosité de l'étoile mère lors du passage de la planète, notre théorie propose un outil pour détecter la 'trace' de boucles dans les données génomiques. Étonnamment, les caractéristiques identifiées s'avèrent être universel non seulement pour les humains, mais aussi pour les cellules d'autres organismes. Apparemment, le repliement des chromosomes en boucles est l'un des principes les plus généraux de l'organisation spatiale de l'ADN", ajoute Polovnikov.

Plus d'informations : Kirill E. Polovnikov et al, Un polymère froissé avec des boucles récapitule les principales caractéristiques de l'organisation des chromosomes, Examen physique X (2023). DOI :10.1103/PhysRevX.13.041029

Informations sur le journal : Examen physique X

Fourni par l'Institut des sciences et technologies de Skolkovo