Des scientifiques du MIT découvrent comment les amas moléculaires interagissent avec les chromosomes du noyau

La cellule stocke tout son matériel génétique dans son noyau, sous forme de chromosomes, mais ce n’est pas tout ce qui s’y cache. Le noyau abrite également de petits corps appelés nucléoles – ; Collections de protéines et d’ARN qui aident à construire des ribosomes.

À l’aide de simulations informatiques, les chimistes du MIT ont maintenant découvert comment ces corps interagissent avec les chromosomes du noyau et comment ces interactions aident les noyaux à exister sous forme de gouttelettes stationnaires dans le noyau.

Leurs résultats suggèrent également que les interactions corporelles entre la chromatine et le nucléaire conduisent le génome à adopter une structure semblable à un gel, ce qui contribue à promouvoir des interactions stables entre le génome et les mécanismes transcriptionnels. Ces interactions aident à contrôler l’expression des gènes.

Ce modèle nous a inspiré à croire que le génome peut avoir des caractéristiques de type gel qui pourraient aider le système à encoder des contacts importants et aider à traduire ces contacts en sorties fonctionnelles. »

Ben Zhang, professeur agrégé Pfizer-Lubach de développement professionnel au MIT, membre associé du Broad Institute à Harvard et au MIT, et auteur principal de l’étude

L’étudiant diplômé du MIT, Yifeng Qi, est l’auteur principal de l’article, qui paraît aujourd’hui dans Communication Nature.

gouttes de modelage

Une grande partie de la recherche de Zhang se concentre sur la modélisation de la structure tridimensionnelle du génome et l’analyse de la façon dont cette structure affecte la régulation des gènes.

Dans la nouvelle étude, il souhaitait étendre sa modélisation aux noyaux. Ces corps minuscules, qui se désintègrent au début de la division cellulaire puis se forment plus tard dans le processus, sont constitués de plus d’un millier de molécules différentes d’ARN et de protéines. L’une des principales fonctions du nucléole est la production d’ARN ribosomique, qui est un composant des ribosomes.

Des études récentes ont suggéré que les nucléoles existent sous forme de gouttelettes liquides multiples. C’était déconcertant car dans des conditions normales, plusieurs gouttelettes devraient fusionner en une seule grosse goutte pour réduire la tension superficielle du système, explique Zhang.

« C’est là que le problème devient intéressant, car dans le noyau, ces multiples gouttelettes peuvent en quelque sorte rester stables tout au long du cycle cellulaire, pendant environ 24 heures », dit-il.

Pour explorer ce phénomène, Zhang et Qi ont utilisé une technique appelée simulation de la dynamique moléculaire, qui peut modéliser l’évolution d’un système moléculaire au fil du temps. Au début de la simulation, les protéines et l’ARN qui composent les noyaux sont répartis au hasard dans tout le noyau, et la simulation suit la façon dont ils forment progressivement de minuscules gouttelettes.

Dans leurs simulations, les chercheurs ont également inclus la chromatine, le matériau qui compose les chromosomes et comprend les protéines ainsi que l’ADN. En utilisant les données d’expériences précédentes qui ont analysé la structure des chromosomes, l’équipe du MIT a calculé l’énergie d’interaction des chromosomes individuels, leur permettant de fournir des représentations réalistes des structures du génome en 3D.

À l’aide de ce modèle, les chercheurs ont pu observer la formation des gouttelettes de nucléole. Ils ont découvert que s’ils modélisaient eux-mêmes les composants nucléaires, sans chromatine, ils finiraient par fusionner en une grosse gouttelette, comme prévu. Cependant, une fois la chromatine introduite dans le modèle, les chercheurs ont découvert que le noyau formait de multiples gouttelettes, tout comme dans les cellules vivantes.

Les chercheurs ont également découvert pourquoi cela se produit : les gouttelettes de noyaux se fixent à certaines régions de la chromatine, et une fois que cela se produit, la chromatine agit comme un agent de traction qui empêche les noyaux de fusionner les uns avec les autres.

« Ces forces capturent essentiellement le système dans ces petites gouttelettes et les empêchent de fusionner », explique Zhang. « Notre étude est la première à mettre en évidence l’importance de ce réseau de chromatine qui peut ralentir considérablement la fusion et l’arrêt du système dans le cas des gouttelettes. »

contrôle génétique

Le noyau n’est pas les seules petites structures présentes dans le noyau – ; D’autres patchs incluent les patchs nucléaires et la lame nucléaire, qui est une enveloppe qui entoure le génome et peut être associée à la chromatine. Le groupe de Zhang travaille actuellement sur la modélisation des contributions de ces structures nucléaires, et leurs découvertes préliminaires suggèrent qu’elles contribuent à donner au génome des propriétés plus gélatineuses, dit Zhang.

« Ce couplage que nous avons observé entre la chromatine et les nucléosomes n’est pas spécifique au nucléole. Il est également général aux autres nucléosomes », dit-il. « Cette concentration de nucléosomes modifiera fondamentalement la dynamique de l’organisation du génome et est très susceptible de transformer le génome de liquide en gel. »

Cet état semblable à un gel permettrait aux différentes régions de la chromatine d’interagir plus facilement les unes avec les autres que si la structure était présente à l’état liquide, dit-il. Le maintien d’interactions stables entre les régions distales du génome est important car les gènes sont souvent contrôlés par des extensions de chromatine qui en sont physiquement éloignées.

La recherche a été financée par les National Institutes of Health et la Fondation Gordon et Betty Moore.