Peinture chromosomique
8 Territoires chromosomiques
Plutôt que d’être dispersés dans tout le noyau, chaque chromosome occupe un volume distinct, appelé territoire chromosomique. Cela a été démontré par la peinture chromosomique — une technique à base de POISSON où le génome est hybridé à un grand nombre de sondes spécifiques aux chromosomes pour permettre la visualisation de chromosomes individuels dans le noyau. Le positionnement radial d’un chromosome est fortement influencé par sa composition — les chromosomes pauvres en gènes ont tendance à occuper des positions plus proches de la périphérie nucléaire, tandis que les chromosomes riches en gènes sont plus fréquemment situés vers l’intérieur. Cette tendance est illustrée par les chromosomes humains 18 et 19, qui sont de taille très similaire mais ont une composition de séquence très différente: le chromosome 18 est pauvre en gènes, tandis que le chromosome 19 est riche en gènes. Le laboratoire Bickmore a utilisé des POISSONS du territoire chromosomique pour étudier la position des deux chromosomes dans le noyau et a constaté que le chromosome 18 était constamment situé plus près de la périphérie nucléaire que le chromosome 19 dans les lignées cellulaires lymphoblastoïdes et fibroblastiques. Le positionnement radial des chromosomes dans le noyau s’est également avéré spécifique aux tissus, les types de cellules plus étroitement apparentés présentant un positionnement chromosomique plus similaire. Le génome humain contient également cinq chromosomes acrocentriques, contenant des séquences d’ADNr – les chromosomes 13, 14, 15, 21 et 22 qui sont généralement regroupés autour du nucléole — le site de transcription et de traitement de l’ARN ribosomique.
La règle radiale du positionnement des chromosomes influence également le positionnement alterné des segments riches en gènes et pauvres en gènes au sein des chromosomes — dans ce cas, les segments riches en gènes sont situés plus au centre, tandis que les régions pauvres en gènes occupent des régions plus proches de la périphérie. De plus, dans les territoires chromosomiques, les segments transcriptionnellement inactifs sont situés à l’intérieur et les segments transcriptionnellement actifs sont à la surface du territoire. Cette disposition permet aux régions transcriptionnellement actives d’accéder facilement aux machines de transcription et aux domaines riches en facteurs métaboliques de l’ARNm tels que les foyers SC-35. Cependant, la structure détaillée des territoires chromosomiques n’est pas encore claire, ce qui reflète notre méconnaissance des structures de la chromatine qui les façonnent.
Du point de vue de la stabilité du génome, une conséquence importante des schémas de positionnement des chromosomes concerne les translocations, l’anomalie chromosomique la plus fréquente observée dans la population humaine. Il est bien établi que la proximité physique de deux chromosomes dans le noyau affecte la probabilité qu’une translocation se produise entre eux (Fig. 23.3).
Figure 23.3. Les positions préférées des chromosomes dans le noyau influencent la fréquence de translocation.
Les chromosomes ayant la même position radiale préférée dans le noyau (par exemple, les chromosomes 17 et 19) sont plus susceptibles d’être impliqués dans des translocations que les chromosomes ayant des positions radiales différentes (par exemple, les chromosomes 17 et 18).
Une analyse entre les fréquences des différentes translocations non pathogènes dans la population humaine et les positions radiales préférées des chromosomes dans le noyau a révélé que les chromosomes ayant des positions nucléaires similaires forment des translocations plus fréquemment que prévu par hasard. Une autre étude a pu démontrer une proximité étroite entre les loci BCR et ABL, impliqués dans la translocation t (9; 22) bien caractérisée formant un chromosome “Philadelphie” dans la leucémie myéloïde chronique. Les auteurs ont montré que les loci BCR et ABL étaient plus proches dans les lymphocytes B que dans les cellules progénitrices hématopoïétiques, suggérant que des aspects spécifiques au type cellulaire de l’organisation nucléaire peuvent contribuer à l’association de certaines translocations avec des types de cancer particuliers. En 2013, le laboratoire Misteli a publié une étude explorant la dynamique des ruptures à double brin et la formation ultérieure de translocation dans un système élégant: les cellules NIH3T3duo codent un petit nombre de sites d’enzymes de restriction SceI intégrés sur différents chromosomes, certains sites adjacents à un réseau LacO et d’autres sites voisins d’un réseau TetO. Lors de l’induction de la rupture par l’enzyme SceI, il a été possible de suivre les ruptures marquées par des protéines Lac (LacR) et Tet (TetR) -répresseurs marquées par fluorescence; la formation de translocation a été indiquée par une co-localisation stable et durable des signaux LacR et TetR. Les auteurs ont pu démontrer que la plupart des translocations sont formées par des loci situés de près avant l’induction de la rupture (modèle de contact d’abord), plutôt que par un mouvement de ruptures à double brin vers des emplacements proximaux (modèle de rupture d’abord).
Au-delà des méthodes d’analyse des territoires chromosomiques, deux principales méthodes complémentaires sont utilisées pour étudier l’organisation 3D du génome au niveau de la structure du domaine d’ordre supérieur: Méthodes à base de POISSON et méthodes de capture de confirmation chromosomique. FISH s’appuie sur l’hybridation de sondes marquées par fluorescence pour visualiser des loci individuels, des parties définies du génome ou des chromosomes entiers. Il fournit un instantané de la structure nucléaire au niveau de la cellule unique, mais ses inconvénients sont qu’il prend du temps et fournit une quantité limitée d’informations à faible résolution. Les techniques de capture de conformation de la chromatine (3C) reposent sur la “congélation” de la structure nucléaire par des interactions de réticulation à l’intérieur du noyau, la ligature de fragments d’ADN maintenus à proximité par les réticulations, suivie d’une PCR ou d’un séquençage de nouvelle génération pour identifier des fragments d’ADN hybrides, indicatifs de contacts. À l’extrémité la plus sophistiquée, ces techniques peuvent théoriquement identifier toutes les interactions possibles dans tout le génome, mais elles présentent également des inconvénients. Contrairement aux POISSONS, les techniques 3C travaillent sur des populations de cellules plutôt qu’au niveau d’une seule cellule, produisant une moyenne de population qui peut refléter un certain nombre de configurations de contact différentes au niveau d’une seule cellule. Malgré les mises en garde, les méthodologies 3C ont été très influentes dans le domaine de l’organisation du génome 3D, contribuant au concept de domaines d’association topologique (TADS). Les TAD sont définies comme des régions mesurant9 900 ko, où les cartes de contact montrent des interactions accrues; Des études sur les POISSONS ont montré que les sondes situées à l’intérieur d’un TAD sont physiquement plus proches que les sondes non situées à l’intérieur du même TAD mais séparées par une distance génomique ” linéaire ” similaire. Le génome humain complet est divisé en environ 2000 TADs qui chevauchent également la distribution des marques d’histones et d’autres caractéristiques génomiques telles que le moment de réplication (décrit plus loin). Cependant, ils ne sont pas spécifiques à un type de cellule et la question du niveau d’organisation structurelle qu’ils reflètent et de leur importance fonctionnelle est toujours sujette à débat. Fait intéressant, le modèle de fréquence de translocation observé avec les territoires chromosomiques peut également être attribué au niveau d’organisation TAD — une étude menée sur les cellules B a révélé que la probabilité de translocation entre deux loci est fortement liée à la fréquence de contact entre eux, telle que définie par les cartes de contact générées par capture de confirmation chromosomique.
