Newswise — AMES, Iowa — Dans leurs longues chaînes de nucléotides, les molécules d’ADN contiennent d’énormes quantités de données génétiques fournissant des instructions sur la façon dont les organismes vivants devraient fonctionner – le modèle de la vie. Cependant, la manière dont le plan est stocké a un impact sur la façon dont il est lu et utilisé.
À mesure que les cellules se divisent et se répliquent, les brins d’ADN enroulés autour des protéines – la chromatine – se trouvent dans des chromosomes étroitement regroupés. Après division, les chromosomes se relâchent et la chromatine est moins compacte. La manière et l’endroit où la fibre chromatinienne se plie et se boucle sur elle-même affecte les gènes activés. Les résultats d’une équipe de recherche dirigée par l’Iowa State University offrent de nouvelles informations sur ce processus qui pourraient avoir des utilisations biomédicales potentielles.
« La structure tridimensionnelle de la chromatine lorsqu’elle est pliée est importante pour la régulation des gènes. L’emplacement physique de la chromatine dans le noyau est important. L’évolution des modèles de repliement de la chromatine modifie la fonction du génome et les programmes de développement qui conduisent à l’évolution phénotypique et à l’adaptation à des environnements changeants », a déclaré Nicole Valenzuela, professeur d’écologie, d’évolution et de biologie des organismes à l’Iowa State University. « Le repliement des chromosomes reste un peu une boîte noire. Nous avons beaucoup appris à ce sujet, mais ce n’est encore que la pointe de l’iceberg.
La forme et l’emplacement des chromosomes pendant l’interphase post-division du cycle cellulaire ont un impact sur la fonction des gènes car ils mettent en contact des régions non adjacentes, telles que des séquences activatrices et des promoteurs de gènes. L’ADN facilement disponible pour l’interaction dans les régions de chromatine actives est plus susceptible d’être exprimé, tandis que l’ADN dans la chromatine réprimée moins accessible est réduit au silence.
En analysant la fréquence à laquelle différentes parties des molécules d’ADN entrent en contact, les scientifiques ont modélisé les différentes configurations physiques de la chromatine chez l’homme et chez de nombreux animaux couramment étudiés, notamment les souris et les oiseaux. Ajoutez des tortues à la liste, grâce à une équipe de recherche que Valenzuela a contribué à diriger. Dans un article récent paru dans Genome Research, les chercheurs ont décrit leur étude des génomes de deux espèces de tortues, qui a montré un arrangement surprenant de chromatine qui n’a pas été observé dans d’autres organismes.
Un alignement inédit
Les chromosomes ont un point de jonction plus fin appelé centromère et à leurs extrémités sont protégés par des séquences répétitives d’ADN appelées télomères. Chez l’homme, les chromosomes restent dans des territoires distincts à l’intérieur du noyau cellulaire. Mais dans les cellules de certains animaux, comme les marsupiaux, les chromosomes se regroupent afin que leurs centromères puissent interagir. Chez d’autres animaux, comme les oiseaux, ils se regroupent pour que les télomères soient en contact. Les tortues sont le seul animal étudié jusqu’à présent où les télomères et les centromères sont alignés pour être proches les uns des autres. Ces différences de repliement et de position se traduisent par une régulation génétique spécifique à la lignée.
« Il est possible qu’il s’agisse de la condition ancestrale des amniotes, à partir de laquelle les mammifères, les oiseaux et les reptiles ont évolué selon des modèles différents. Les tortues pourraient nous montrer ce qui existait au début, en mettant en lumière l’évolution du génome des vertébrés », a déclaré Valenzuela.
En savoir plus sur la structure tridimensionnelle du génome des tortues et sur la façon dont elle réagit aux conditions environnementales pourrait aider à expliquer la base génétique des traits qui pourraient être exploités à des fins biomédicales chez l’homme. Par exemple, certaines tortues peuvent survivre des semaines sans oxygène, ce qui pourrait conduire à un traitement pour un accident vasculaire cérébral. Comprendre comment certaines tortues peuvent résister à un froid extrême pourrait bénéficier à la préservation cryogénique des tissus humains.
“Nous voulons mieux comprendre pourquoi différentes lignées sont différentes sous certains aspects et pourquoi elles sont identiques sous d’autres, quelles parties nous partageons et quelles parties diffèrent”, a déclaré Valenzuela, dont les recherches se concentrent sur les tortues. “Si nous pouvons reconstruire l’histoire évolutive des changements qui ont eu lieu, nous serons en mesure d’en dire beaucoup plus sur la manière dont les différences dans l’emballage de l’ADN et le repliement des chromosomes pourraient affecter les traits qui nous intéressent”, comment les gènes sont régulés et comment les génomes des vertébrés évoluent. Et comprendre comment la structure de la chromatine des tortues réagit aux conditions externes bénéficiera également aux efforts de conservation en aidant à prédire l’effet potentiel des changements environnementaux sur leur biologie.
L’étude a été financée en partie par deux subventions de la National Science Foundation.
Creuser plus profondément
L’étude de l’organisation spatiale du génome des tortues continuera d’être une priorité pour le laboratoire de Valenzuela, a-t-elle déclaré.
Les plans futurs incluent l’examen d’espèces de tortues supplémentaires. L’étude actuelle concernait les tortues-molles à épines et les tortues musquées géantes du Nord, mais le groupe de recherche de Valenzuela a déjà collecté des données pour examiner la structure génomique de quatre autres espèces de tortues. Elle aimerait également comparer les tortues aux crocodiles, aux lézards et aux serpents pour voir si leur chromatine s’organise selon des schémas similaires.
Pour approfondir la fonction du repliement de la chromatine des tortues, Valenzuela étudiera les organoïdes hépatiques que son laboratoire a développés pour trois espèces de tortues – de minuscules boules de cellules cultivées en laboratoire qui imitent une version simplifiée du tissu hépatique.
Des méthodes de cartographie plus sophistiquées produiront également des résultats plus riches, notamment des données à plus haute résolution produisant des cartes de chromatine encore plus détaillées et des techniques permettant d’étudier l’évolution de la structure 3D de la chromatine au fil du temps et dans différents environnements.
« Pour réellement réaliser une cartographie génotype-phénotype, nous devons atteindre ce niveau de complexité », a-t-elle déclaré.
