Le mode d'encapsidation de l'ADN génomique dans le noyau cellulaire détermine les modèles d'expression des gènes. Des chercheurs munichois ont utilisé des nano-pinces à base d'ADN pour mesurer les forces entre les nucléosomes, les unités de conditionnement de base de l'ADN nucléaire.

Chaque cellule humaine contient environ deux mètres d'acide désoxyribonucléique (ADN), qui code l'information génétique qui spécifie les structures et fonctions cellulaires. De plus, cet ADN "génomique" est emballé dans le noyau cellulaire, dont le diamètre est inférieur à 10 micromètres. Cela signifie que l'ADN nucléaire doit être emballé, principalement en interagissant avec des protéines spécifiques. L'unité de conditionnement de base est une particule constituée de protéines appelées histones, autour duquel l'ADN est enroulé. Comparable aux petites bobines, ces structures sont appelées nucléosomes. Les nucléosomes à leur tour sont liés les uns aux autres par des segments d'ADN qui s'étendent entre les particules centrales et ne sont pas enroulés autour d'elles. Vu au microscope électronique, l'ADN emballé dans les nucléosomes ressemble à des perles sur une ficelle.

Le prochain niveau d'emballage implique l'interaction mutuelle des nucléosomes, et les structures d'ordre supérieur qui en résultent n'ont pas encore été complètement caractérisées. Une équipe de scientifiques dirigée par Hendrik Dietz de l'Université technique de Munich et Philipp Korber du Centre biomédical de LMU a fait un pas important vers la résolution de cette énigme :pour la première fois, ils ont réussi à mesurer directement les forces d'attraction qui agissent entre les nucléosomes. Leurs résultats paraissent dans les revues Avancées scientifiques et Lettres nano .

Origami ADN :Intégration des nucléosomes dans la pince à épiler

Dietz, titulaire de la Chaire de Biophysique Expérimentale à la TUM, utilise l'ADN comme matériau de construction pour construire des structures moléculaires, une technologie appelée ADN origami. Lui et son équipe ont maintenant utilisé la méthode pour créer des structures constituées de deux barres d'ADN rigides reliées par une articulation flexible qui agit comme un ressort. Ceux-ci peuvent être utilisés comme des pincettes pour mesurer la force des interactions entre les nucléosomes. Un nucléosome est attaché à chaque bras de la pince à épiler. "Nous pouvons contrôler la position et l'orientation des nucléosomes dans les pinces à ADN avec un degré de précision très élevé, " dit Dietz. " C'est très important lorsqu'il s'agit de vraiment pouvoir mesurer les interactions. "

Les chercheurs de LMU ont entrepris de développer des structures de nucléosomes qui peuvent être intégrées dans la pince à épiler. Philipp Korber, Privatdozent et chef de groupe à la Chaire de biologie moléculaire du BMC, explique : « Normalement, les deux extrémités double brin de l'ADN enroulé autour du nucléosome sont très proches l'une de l'autre. Mais nous avions besoin de deux brins simples saillants, plus près du milieu. C'était un problème important, car une telle configuration peut déstabiliser l'ensemble de la structure. Notre équipière Corinna Lieleg a néanmoins réussi à trouver les bons emplacements pour ces poignées."

Les chercheurs ont pu mesurer une très faible interaction entre nucléosomes intégrés, équivalent à une force d'attraction de 1,6 kcal/mol, à une distance d'environ 6 nanomètres (nm). Les orientations des nucléosomes les uns par rapport aux autres se sont avérées n'avoir pratiquement aucun effet. Cependant, des modifications chimiques particulières dans les protéines histones ont encore affaibli les interactions.

Le problème de la fibre 30 nm

Le résultat pourrait aider à résoudre un différend scientifique actuel. Selon la théorie actuelle, les nucléosomes forment une sorte de super-spirale d'un diamètre de 30 nanomètres, la fibre dite à 30 nm. Jusque là, cependant, cette structure d'ordre supérieur à 30 nm n'a jamais été observée dans des cellules vivantes. Que la chromatine prenne réellement ou non la forme d'une telle super-spirale est encore très controversée. En effet, les infimes forces d'attraction entre les nucléosomes, que les chercheurs ont maintenant mesuré avec succès, semblent contredire la théorie. "Nos données indiquent des structures très molles qui sont facilement déformées par des influences extérieures, " dit Dietz.

La façon dont les nucléosomes sont organisés en structures d'ordre supérieur est une question fondamentalement importante, car il a des implications profondes pour le contrôle de l'expression des gènes. Seuls les gènes qui se trouvent dans une chromatine relativement non compacte sont accessibles à « l'activation », ce qui permet aux protéines qu'elles codent d'être produites par la machinerie cellulaire.

La régulation des gènes par l'empaquetage de l'ADN tourne mal dans les cellules cancéreuses

"Au cours des dix dernières années, il est devenu clair que de nombreux changements et mutations qui transforment les cellules en cellules cancéreuses ont lieu à ce niveau, " dit Korber. Dans une cellule cancéreuse, les mécanismes normaux qui déterminent quels gènes sont actifs et lesquels sont inactifs sont perturbés. Les régions génomiques qui ne devraient pas être accessibles sont laissées ouvertes et vice versa. "Toutefois, si seul l'emballage est défectueux, et non le gène lui-même, il devrait en principe être possible de restaurer à nouveau l'emballage approprié."

Les chercheurs prévoient d'utiliser la technique de la pince à épiler moléculaire pour étudier d'autres structures. "En biologie, l'orientation des structures les unes par rapport aux autres est toujours importante, " dit Korber. " Maintenant, nous avons une sorte de pince moléculaire que nous pouvons utiliser pour contrôler spécifiquement l'orientation spatiale des structures les unes par rapport aux autres. "