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Parutions

 

 

La torsion positive d’une fibre de chromatine entraîne une transition chirale des nucléosomes

En utilisant des "pinces magnétiques", des chercheurs ont montré que les nucléosomes d’une fibre de chromatine soumise à une forte torsion positive subissent un changement important de leur conformation sans perte d’histones. La nouvelle structure, métastable, emmagasine du surenroulement positif et se présente comme l’inverse topologique du nucléosome. Ce phénomène de transition chirale* permettrait la progression de l’ARN polymérase au cours de la transcription des gènes en l’absence de tout autre facteur.

Ces travaux sont issus d’une étroite collaboration entre l’Institut Jacques Monod (CNRS UMR 7592, équipe d’Ariel Prunell), le Laboratoire de Physique Théorique de la Matière Condensée (CNRS UMR 7600, équipe de Jean-Marc Victor), l’Institut Curie-Recherche (à Paris : CNRS UMR 168, équipe de Jean-Louis Viovy ; et à Orsay : INSERM Unité 759, équipe d’Imagerie Subcellulaire), et l’Institut Gustave Roussy (CNRS UMR 8126, équipe d’Eric Le Cam). Cette étude a été publiée le 6 Juillet 2007 dans la revue Molecular Cell.

Dans les cellules eucaryotes, l’ADN est compacté en chromatine, dont l’unité répétitive est le nucléosome. Ce dernier est formé d’environ 160 paires de bases d’ADN enroulées en deux tours négatifs autour d'un noyau protéique octamérique fait de deux copies de chacune des quatre histones H2A, H2B, H3 et H4. La structure de l’octamère est bipartite : un tétramère (H3,H4)2 en forme de fer à cheval gauchi en occupe le centre, et des dimères H2A-H2B lui sont adjoints sur ses faces supérieure et inférieure. Le chapelet formé par les nucléosomes adjacents reliés chacun par environ 40 paires de bases constitue la fibre de chromatine.  C’est cette fibre qui sert de support physique à l’expression des gènes contenus dans l’ADN. Le vecteur de cette expression est une copie du brin codant du gène en ARN messager, lui-même produit par une enzyme, l’ARN polymérase, au cours du processus de la transcription. Le mécanisme de la transcription de l’ADN dans la chromatine n’est pas encore parfaitement élucidé, bien que des études aient montré que le tétramère (H3-H4)2 reste en place, alors que les dimères H2A-H2B ont tendance à se déstabiliser. Lorsque l’on examine la mécanique de la transcription d’un ADN nu, on constate que c’est l’ADN qui tourne sur le complexe formé par la polymérase et l’ARN naissant, et non pas la polymérase qui tourne autour de l’ADN.

figure 1 

Figure 1 – Contraintes de surenroulement au cours de la transcription d’un ADN nu dont les extrémités sont bloquées : positif en aval et négatif en amont de l’ARN polymérase. D’après R. Sinden

Ce phénomène tend à augmenter la torsion de la double hélice en aval de la polymérase et à la diminuer en amont, ce qui fait naître devant celle-ci une vague de surenroulement positif, compensée derrière elle par une vague de surenroulement négatif d’égale intensité. Lorsque ces vagues de surenroulement ne peuvent s’échapper par les extrémités de l’ADN, des contraintes de surenroulement positif et négatif s’accumulent (figure 1).

De cette observation, on peut immédiatement prédire que l’avancée de la polymérase va tendre à déstabiliser les nucléosomes contre lesquels elle va venir buter (un surenroulement positif ne peut en effet que déstabiliser une particule enroulée négativement), et à stabiliser ceux qu’elle a finis de transcrire. C’est ce phénomène de déstabilisation des nucléosomes par le surenroulement positif qui a été étudié au moyen des "pinces magnétiques" (Strick et al., 1996).

figure 2

Figure 2 - Schéma expérimental - © Bancaud et al.

Dans ce système, une fibre de chromatine reconstituée in vitro à partir d’ADN et d’histones est attachée par une de ses extrémités ADN à une bille magnétique et par l’autre au plancher d’une cellule de mesure. Des aimants tournants vont alors entraîner la bille, et donc l’extrémité de la fibre, dans leur rotation, tout en exerçant sur elle une force de traction (Bancaud et al., 2006; figure 2).

La longueur de la fibre de chromatine est maximale en l’absence de contrainte de torsion, et elle diminue quand on lui imprime soit une torsion positive soit une torsion négative. Ceci est visualisé par une courbe caractéristique en forme de cloche (courbe bleue dans la figure 3). Cette courbe peut être suivie dans les deux sens, en augmentant ou en diminuant la torsion (flèches bleues).

figure 3

Figure 3 – Mise en évidence de l’hystérésis - © Bancaud et al.

A la suite d’une torsion positive plus importante au-delà de la courbe bleue, les auteurs ont observé une courbe retour (courbe verte sur la Figure 3) qui ne se superpose plus à la courbe allée : une hystérésis** apparaît, qui disparaît en queue de courbe, et le cycle suivant repasse alors par la courbe bleue, indiquant que le phénomène est réversible.

Une étude fine des réponses en torsion obtenues avec des fibres de chromatine dépourvues des dimères H2A-H2B a montré que l’hystérésis reflète une transition structurale du nucléosome vers une particule métastable, baptisée "réversome", capable d’emmagasiner du surenroulement positif. Ainsi, lorsque le nucléosome mène à une déformation topologique de l’ADN d’un supertour négatif, cette déformation est proche d’un supertour positif pour le réversome. La déformation négative liée au nucléosome a pour origine l’enroulement hélicoïdal gauche de l’ADN sur l’octamère d’histones. A l’inverse, la déformation positive liée au réversome résulte d’un enroulement hélicoïdal droit de l’ADN sur ce même octamère. Le réversome apparaît donc comme l’inverse topologique du nucléosome. Au-delà de cette symétrie, des différences notables existent cependant entre les deux particules : le nucléosome, avec ses 2 tours d’ADN fermement enroulés, est compact, et le réversome, avec un enroulement d’au plus 1,5 tour, a une structure relativement ouverte. De plus, les dimères H2A-H2B y sont relativement déstabilisés.

Si la structure du réversome est encore assez mal définie au niveau des dimères H2A-H2B, elle l’est beaucoup mieux à celui du tétramère (H3-H4)2. En effet, “la transition chirale” du tétramère, qui le transforme en un fer à cheval gauchi dans l’autre sens, a été décrite il y a plus de dix ans (Hamiche et al., 1996), mais son rôle physiologique n’avait pu être établi. La démonstration d’une transition chirale au niveau du nucléosome entier, et son profil énergétique compatible avec une induction à distance par l’ARN polymérase, indique que le réversome est une sorte de nucléosome activé prêt pour le passage de la polymérase.

figure 4

Figure 4 - © J.M. Victor et al.

La transition chirale du tétramère pourrait ainsi être le levier permettant à l’enzyme de lever à elle seule la barrière quasi-infranchissable des nucléosomes. Des facteurs, souvent associés à la polymérase, existent déjà in vivo, capables de déstabiliser les nucléosomes, et de lever l’inhibition en l’absence de contrainte de surenroulement. C’est là un nouvel exemple de cette redondance biologique par laquelle la nature peut prévoir plusieurs mécanismes distincts pour mieux atteindre son but.

La vision artistique de la figure 4 résume bien les conclusions de ces travaux. Elle montre, à droite, les tortillons (boucles de vrillage) positifs qui se sont formés sur un câble spiralé de téléphone, un désagrément dont chacun a pu faire l’expérience. Pour des tortillons suffisamment serrés, un relâchement spontané peut se produire (à gauche) qui transforme localement la spirale négative (les nucléosomes) en positive (les réversomes). L’image du nucléosome à haute résolution, obtenue par diffraction des rayons X sur des cristaux, est tirée de la littérature, et celle du réversome en a été déduite par modélisation.

 

*Chiral : Se dit d’un objet qui n’est pas superposable à son image dans un miroir. Un objet chiral est dénué de plan de symétrie.

**Hystérésis : Retard dans l'évolution de phénomènes physiques dépendants l'un de l'autre. Par exemple, dans le cas des fibres élastiques, la tension durant l'étirement diffère de la tension durant le relâchement. Le décalage entre les deux définit le cycle d'hystérésis caractéristique d'une fibre donnée.

 

En savoir plus :

Bancaud A, Wagner G., Conde e Silva N., Lavelle C., Wong H.,Mozziconacci J., Barbi M., Sivolob A., Le Cam E., Mouawad L., Viovy J.-L., Victor J.-M.  & Prunell A. Nucleosome chiral transition under positive torsional stress in single chromatin fibers. Molecular Cell 27, 135-147, July 6, 2007.

 

Contact chercheurs :

Ariel Prunell, Institut Jacques Monod, CNRS UMR 7592, 2, Place Jussieu, 75251 Paris cedex 05, prunell@ccr.jussieu.fr.

lienSite du labo : http://ijm2.ijm.jussieu.fr/ijm/recherche/equipes/biochimie-de-la-chromatine

Jean-Marc Victor, Laboratoire de Physique Théorique de la Matière Condensée, CNRS UMR 7600, 4, Place Jussieu, 75252 Paris cedex 05, victor@lptmc.jussieu.fr.

lienSite du labo : http://www.lptmc.jussieu.fr/users/victor/

 

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