Nous savons enfin combien de temps les brins d’ADN se replient en X laineux. On savait déjà que la forme des chromosomes influençait des processus essentiels, tels que la division cellulaire et l’activation et la désactivation des gènes. Nous savions également déjà que le complexe protéique cohésine joue un rôle majeur dans le repliement des chromosomes en rapprochant les brins d’ADN. Mais comment la cohésine «choisit» à quel morceau d’ADN se lier était une grande question.
Deux études néerlandaises apportent des réponses : des scientifiques de la TU Delft enregistrent Nature que la rigidité de l’hélice d’ADN détermine la façon dont la cohésine façonne les chromosomes. Et à l’Institut néerlandais du cancer, des chercheurs ont découvert un principe de verrouillage universel que les protéines utilisent pour lier la cohésine à un morceau d’ADN. Ils publient ça Nature Biologie structurale et moléculaire.
Notre ADN est divisé en plusieurs chromosomes, qui se trouvent dans le noyau cellulaire sous forme de longs brins la plupart du temps. Mais avant qu’une cellule puisse se diviser, un tel chromosome doit doubler. « Ces chapelets de spaghettis se transforment ensuite en morceaux compacts de macaronis », explique Benjamin Rowland, chef de groupe de la recherche au NKI. Avec les mains et les pieds, il explique comment l’ADN est doublé et enroulé. Le résultat est deux chromosomes identiques joints à mi-chemin : un X laineux d’ADN compact.
Boucles dans l’ADN
Un complexe de plusieurs protéines, la cohésine, y joue un rôle important : il maintient ensemble deux brins d’ADN comme un anneau. Le complexe boucle l’ADN afin qu’il puisse réguler les gènes et maintient ensemble deux chromosomes identiques jusqu’à ce que la cellule se divise. Une autre protéine, CTCF, détermine où le cycle cohésine se lie à l’ADN.
« Notre hypothèse était que le CTCF agit simplement comme un panneau d’arrêt pour la cohésine, marquant où il devrait créer des boucles dans l’ADN », explique Cees Dekker, professeur de biophysique moléculaire à TU Delft. Le processus s’est avéré beaucoup plus dynamique. Dekker : « Nous avons découvert par hasard que la quantité de tension sur le morceau d’ADN influence cette fonction de blocage du CTCF. S’il y a plus de force sur le brin, CTCF arrête la formation de boucle de cohésine. Cela a finalement un effet sur les gènes qui sont activés et désactivés. »
La tension est causée par des machines protéiques qui se déplacent sur l’ADN et, par exemple, transcrivent l’ADN en ARN. Roman Barth, auteur principal de l’article, compare le CTCF à un feu tricolore : « Les piétons font plus attention lorsque la route est occupée. Vous ne traversez pas le rouge rapidement. Lorsque de nombreuses protéines sont actives sur l’ADN, il y a plus de tension et la cohésine écoute mieux le feu CTCF.
Deux blocs de construction
Alors que le groupe de Dekker a zoomé sur le niveau d’une seule molécule d’ADN, le groupe de Rowland a étudié l’effet de la cohésine à l’échelle chromosomique. « En 2020, nous avons exposé comment le CTCF se lie à la cohésine : selon un principe de verrouillage à clé. Deux blocs de construction CTCF s’intègrent parfaitement dans une carrière de cohésine », explique Rowland. Le CTCF n’est pas le seul régulateur de la cohésine. Alors que CTCF se lie à la cohésine pour créer des boucles d’ADN, une autre protéine, SGO1, se lie à la cohésine pour maintenir les chromosomes ensemble pour la division cellulaire.
Les chercheurs ont déterminé la structure spatiale de SGO1. À leur grande surprise, la protéine s’est avérée avoir les mêmes éléments constitutifs et s’adapte donc également au verrou de cohésine comme clé moléculaire. Rowland : « Ce résultat était fascinant. En fait, ces deux protéines semblent n’être que la pointe de l’iceberg d’un mécanisme universel par lequel les cellules structurent les chromosomes.
Les deux études n’ont pas d’applications directes, disent les scientifiques. « Il est particulièrement important de comprendre le fonctionnement de la cohésine, car elle joue un rôle crucial dans la structure des chromosomes de tous les organismes », explique Rowland.