Mécanisme de séparation des domaines fonctionnels dans les génomes mammifères

Les cellules de mammifères contiennent un génome de grande taille, impliqué dans de nombreux processus biologiques, comme la régulation des gènes et la réparation de l'ADN. Pour améliorer la précision de ces mécanismes et réduire les interférences indésirables à longue distance, le génome est subdivisé en domaines fonctionnels : les « TAD ». Les TAD sont constitués d’un ensemble de boucles chromosomiques. La liaison de la protéine CTCF, qui reconnait des motifs spécifiques de l’ADN notamment aux frontières des TAD, interfère avec la progression de ces boucles, ce qui limite leur formation entre deux TAD voisins. La liaison de la protéine CTCF à l'ADN crée ainsi des frontières entre les TAD. Des études antérieures ont montré que la plupart des frontières de TAD contiennent plusieurs sites de liaison pour la protéine CTCF. Cependant, l’impact structurel de ce regroupement restait à déterminer.

La technologie Nano-C, une nouvelle approche de séquençage à molécule unique

Si la protéine CTCF ne se fixe pas exclusivement en bordure des TAD, les scientifiques ont découvert que sa liaison aux frontières des TAD diffère, en plusieurs aspects, de sa liaison dans d’autres parties du génome. Aux frontières, non seulement plusieurs sites de liaison du CTCF sont regroupés, mais au sein de ces sites, plusieurs molécules de la protéine CTCF peuvent se lier à l'ADN. Combiné, cela augmente l’affinité de CTCF pour ces sites, ce qui crée des zones élargies avec des densités accrues de CTCF dans le génome. Ces zones élargies, avec leur regroupement de sites CTCF, bloque plus efficacement la progression des boucles d'ADN. Pour le démontrer, les scientifiques ont développé la technologie Nano-C, une nouvelle approche de séquençage à molécule unique, pour caractériser la diversité des boucles dans une population cellulaire. En utilisant une évaluation systématique par Nano-C, les chercheurs montrent que chaque site CTCF contribue individuellement, mais de manière incomplète, à bloquer les boucles entre TAD voisins. De manière additive, le regroupement de plusieurs sites CTCF crée une isolation progressive entre les TAD voisins, ce qui améliore la focalisation des fonctions génomiques. Ces résultats ont été évalués à l'aide de simulations biophysiques avancées du repliement des chromosomes. Ces simulations ont confirmé que plusieurs sites, bloquant chacun de manière imparfaite la progression des boucles, surpassent la contribution d’un seul site parfait et génère des frontières de TAD plus en accord avec les observations biologiques.

Une redondance qui réduit le risque de mutations

Ces découvertes, effectuées dans les cellules souches embryonnaires de souris, aident à comprendre dans quelle mesure la structure des chromosomes influence ses fonctions. Même si ces résultats ont été obtenus à partir de cellules de souris cultivées en laboratoire, il est probable que ces résultats puissent être extrapolés à d’autres types de cellules de mammifères, y compris les cellules humaines. Le regroupement des sites CTCF au sein des chromosomes humains permet une redondance entre ces sites, qui réduit l’impact des mutations sur des sites individuels, comme souvent observées dans les cancers. A l’inverse, leur rôle additif pour bloquer les fourches implique une certaine perméabilité des frontières des TAD, ce qui étend les intervalles génomiques pouvant exercer une influence, vraisemblablement plus subtile, sur la régulation des gènes et, par conséquent, sur les devenirs cellulaires.

En savoir plus :
Multi-feature clustering of CTCF binding creates robustness for loop extrusion blocking and Topologically Associating Domain boundaries
Chang LH, Ghosh S, Papale A, Luppino JM, Miranda M, Piras V, Degrouard J, Edouard J,Poncelet M, Lecouvreur N, Bloyer S, Leforestier A, Joyce EF, Holcman D, Noordermeer D
Nature Communications 14, 5615
DOI : https://doi.org/10.1038/s41467-023-41265-y