Le mystère de l’organisation de l’ADN

Si on l’étirait complètement, l’ADN de toutes les cellules de notre corps pourrait atteindre la planète Pluton. De ce fait, comment chaque cellule minuscule peut-elle abriter une longueur d’ADN de deux mètres dans son noyau alors qu’elle n’est que d’un millième de millimètre ? La réponse à cette énigme biologique est essentielle pour comprendre comment l’organisation tridimensionnelle de l’ADN dans le noyau influe sur notre biologie, sur la façon dont notre génome organise notre activité cellulaire et comment les gènes passent des parents aux enfants.

Pour la première fois, les scientifiques de l’Institut Salk et de l’Université de Californie ont fourni une vision très détaillée de la structure 3D de la chromatine humaine. La chromatine est la combinaison de l’ADN et des protéines dans le noyau des cellules humaines vivantes. Dans l’étude décrite dans la revue Science, les chercheurs de Salk ont identifié un nouveau colorant d’ADN qui, associé à une microscopie avancée dans une technologie combinée appelée ChromEMT, permet une visualisation très détaillée de la structure de la chromatine dans les cellules en repos ainsi que les étapes mitotiques (les étapes de division). En révélant la structure de la chromatine nucléaire dans les cellules vivantes, ces travaux peuvent aider à réécrire le modèle de l’organisation de l’ADN et peut-être à modifier la façon dont nous abordons les traitements contre les maladies.

L’un des plus grands défis de la biologie est de découvrir l’ordre supérieur de la structure d’ADN dans le noyau et comment il est associé à ses fonctions dans le génome selon le professeur agrégé de Salk Clodagh O’Shea et auteur principal du papier. C’est très important, car c’est la structure d’ADN biologiquement pertinente qui détermine à la fois la fonction et l’activité des gènes.

Une nouvelle technique visualise la chromatine en 3D (la chromatique est l’ADN avec ses protéines associées). Le noyau de la cellule (en pourpre sur le coté inférieur gauche) en peignant la chromatique avec un métal. Le bloc du milieu montre l’image capturée, le premier bloc montre l’organisation de la chromatique tandis que le dernier bloc montre les lignes de contour de la densité de la chromatine allant du clairsemé (cyan et vert) jusqu’au dense (orange et rouge) – Crédit : Salk Institute / Clodagh O’Shea

Depuis que Francis Crick et James Watson ont déterminé que la structure primaire de l’ADN était une double hélice, les scientifiques se demandent comment la longueur de l’ADN est organisée dans le noyau afin que la machine de copie de la cellule puisse y accéder à différents points dans le cycle d’activité de la cellule. Les radiographies et la microscopie ont montré que le niveau primaire de l’organisation de la chromatine implique 147 bases d’ADN qui s’enroulent autour des protéines pour former des particules d’environ 11 nanomètres de diamètre connues comme des nucléosomes.

On pense que ces nucléosomes, comme des “perles sur un fil”, se plient en fibres discrètes de diamètre croissant (30, 120, 320 nm, etc.) jusqu’à ce qu’elles forment des chromosomes. Le problème est que personne n’a observé la chromatine dans ces tailles intermédiaires discrètes dans les cellules qui n’ont pas été brisées. Ainsi, le modèle de l’organisation hiérarchique supérieure de la chromatine dans les cellules intactes n’a pas été vérifié.

Pour surmonter le problème de la visualisation de la chromatine dans un noyau intact, l’équipe d’O’Shea a examiné un certain nombre de colorants candidats en trouvant éventuellement un colorant qui pourrait être précisément manipulé avec de la lumière pour subir une série complexe de réactions chimiques qui peindraient essentiellement la surface de l’ADN avec un métal afin que sa structure locale et l’organisation du polymère 3D puissent être imagées dans une cellule vivante.

L’équipe a collaboré avec l’Université de Californie pour exploiter une forme avancée de microscopie électronique qui inclut des échantillons dans un faisceau d’électrons permettant de reconstruire leur structure en 3D. L’équipe d’O’Shea a appelé la technique, qui combine leur colorant de chromatine avec la tomographie par microscope électronique, comme la ChromEMT. L’équipe a utilisé ChromEMT pour l’image et la mesure de la chromatine dans les cellules humaines au repos et pendant la division cellulaire (mitose) lorsque l’ADN est compacté dans sa forme la plus dense. Cette forme est les 23 paires de chromosomes mitotiques qui sont l’image emblématique du génome humain. Et les chercheurs n’ont vu aucune des structures d’ordre supérieur du modèle.

Le modèle est une illustration de dessin animé selon Horng qui est le premier auteur du papier. La chromatine, qu’on extrait du noyau et qu’on soumet à un traitement in vitro dans des éprouvettes, peut ne pas ressembler à la chromatine dans une cellule intacte et il est donc extrêmement important de la voir in vivo. Dans les cellules au repos et en division, l’équipe a observé que la chromatine et ses “perles sur un fil” ne formaient aucune structure d’ordre supérieur d’une dimension de 30 ou 120 ou 320 nanomètres selon les hypothèses. À la place, il s’agit d’une chaîne semi-flexible qu’ils ont mesurée allant de 5 à 24 nanomètres pour obtenir différents niveaux de compactage. Cela suggère que c’est la densité de conditionnement de la chromatine, et non pas une structure d’ordre supérieur, qui détermine les zones du génome activées et supprimées.

Une section du volume en 3D. Les structures détaillées de la chromatine sont observé dans une cellule teintée avec ChromEM (les structure sombres sur la gauche) et non sur une cellule non teintée (sur la droite) – Crédit : Salk Institute/Clodagh O’Shea/UCSD/Mark Ellisman

Avec leurs reconstructions en microscopie 3D, l’équipe a pu se déplacer dans un volume de la chromatine de 250 nm x 1000 nm x 1000 nm et envisager comment une grande molécule comme l’ARN polymérase, qui transcrit l’ADN (copie), pourrait être contrôlé par la densité d’emballage variable de la chromatine. En plus d’améliorer le modèle de l’organisation de l’ADN, les résultats de l’équipe suggèrent que le contrôle de l’accès à la chromatine pourrait être une approche utile pour prévenir, diagnostiquer et traiter des maladies comme le cancer.

Nous montrons que la chromatine n’a pas besoin de former des structures discrètes d’ordre supérieur pour s’adapter au noyau selon O’Shea. C’est la densité de conditionnement qui pourrait changer et limiter l’accessibilité de la chromatine. Cela fournit une base structurale locale et globale grâce à laquelle on pourrait intégrer différentes combinaisons de séquences d’ADN, de variations nucléosomiques et de modifications dans le noyau afin d’harmoniser l’activité fonctionnelle et l’accessibilité de nos génomes. Les travaux futurs examineront si la structure de la chromatine est universelle parmi les types de cellules ou même parmi les organismes.

Source : Science (http://science.sciencemag.org/cgi/doi/10.1126/science.aag0025)

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