La cohésine et le CTCF contrôlent la dynamique du repliement des chromosomes

Jun 12, 2023

Nature Genetics volume 54, pages 1907-1918 (2022)Citer cet article

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Chez les mammifères, les interactions entre les séquences au sein de domaines topologiquement associés permettent de contrôler l’expression des gènes sur de grandes distances génomiques. Pourtant, on ne sait pas à quelle fréquence de tels contacts se produisent, combien de temps ils durent et comment ils dépendent de la dynamique du repliement des chromosomes et de l’activité d’extrusion des boucles de la cohésine. En imagerie des emplacements chromosomiques à haute résolution spatiale et temporelle dans les cellules vivantes, nous montrons que les interactions au sein de domaines topologiquement associés sont transitoires et se produisent fréquemment au cours d'un cycle cellulaire. Les interactions deviennent plus fréquentes et plus longues en présence de sites CTCF convergents, entraînant la suppression de la variabilité du repliement des chromosomes au fil du temps. Soutenues par des modèles physiques de dynamique des chromosomes, nos données suggèrent que les boucles ancrées au CTCF durent environ 10 minutes. Nos résultats montrent que la régulation transcriptionnelle à longue portée pourrait reposer sur une proximité physique transitoire et que la cohésine et le CTCF stabilisent les structures chromosomiques hautement dynamiques, facilitant ainsi certains sous-ensembles d'interactions chromosomiques.

Dans les cellules de mammifères, les interactions entre les séquences chromosomiques jouent un rôle important dans des processus fondamentaux tels que la réplication1, la réparation2 de l'ADN et la régulation transcriptionnelle par des amplificateurs distaux3. Les méthodes de capture de conformation chromosomique (3C), qui mesurent la proximité physique entre les séquences génomiques dans des cellules fixes, ont révélé que les contacts chromosomiques sont organisés en domaines de sous-mégabases d'interactions préférentielles appelés domaines d'association topologique (TAD) 4,5 dont les limites peuvent isoler fonctionnellement les séquences régulatrices . Les TAD proviennent principalement d'interactions imbriquées entre les sites de liaison orientés de manière convergente de la protéine de liaison à l'ADN CTCF, qui sont établis lorsque le CTCF lié à la chromatine arrête l'activité d'extrusion de boucle du complexe de cohésine.

Déterminer le moment et la durée des interactions chromosomiques au sein des TAD et leur relation avec le CTCF et la cohésine est essentiel pour comprendre comment les activateurs communiquent avec les promoteurs11,12. Analyses unicellulaires de la structure des chromosomes dans des cellules fixes4,13,14,15, expériences de traçage des chromosomes16,17,18,19, mesures in vitro9,10,20 et sur cellules vivantes21 de la dynamique du CTCF et de la cohésine, et simulations de polymères6,15, 22, ainsi que l'imagerie de cellules vivantes de localisations chromosomiques et d'ARN naissant23,24, suggèrent toutes que les boucles TAD et CTCF sont des structures dynamiques dont l'évolution temporelle pourrait être régie par la cinétique d'extrusion de boucles25. Des mesures récentes sur des cellules vivantes d'une boucle CTCF reliant deux limites TAD opposées dans des cellules souches embryonnaires de souris (MESC) ont fourni une preuve directe que tel est le cas et ont révélé que les boucles médiées par la cohésine entre des sites CTCF situés à 500 kilobases (kb) les 10 dernières –30 min (réf. 26). Cependant, on ne sait toujours pas si les contacts entre séquences séparées par des distances génomiques où les activateurs et les promoteurs interagissent au sein du même TAD se produisent sur une échelle de temps de quelques secondes, minutes ou heures. Nous savons également peu de choses sur la manière dont les taux et les durées de ces contacts sont modulés par l'extrusion de boucles. On ne sait finalement pas si la cohésine augmente la mobilité des chromosomes et favorise ainsi les rencontres entre séquences génomiques en les enroulant en boucles, ou si au contraire elle apporte des contraintes qui diminuent la mobilité et prolongent la durée de ces rencontres. Il a été suggéré que les deux scénarios étaient théoriquement possibles27,28, mais on ne sait pas clairement quel effet domine dans les cellules vivantes.

Ici, nous utilisons la microscopie à fluorescence de cellules vivantes pour mesurer la dynamique des chromosomes et sa dépendance à la cohésine et au CTCF dans les MESC. En combinant deux stratégies d'imagerie de cellules vivantes avec des simulations de polymères, nous révélons que les boucles extrudées par la cohésine contraignent le mouvement global des chromosomes, tout en augmentant les fréquences temporelles et les durées des rencontres physiques entre les séquences au sein du même TAD. Les sites convergents CTCF stabilisent considérablement les contacts grâce à des boucles ancrées par CTCF médiées par la cohésine qui durent environ 5 à 15 minutes en moyenne. Nos résultats soutiennent l'idée selon laquelle la structure des chromosomes au sein de TAD uniques est très dynamique au cours d'un cycle cellulaire et que, par conséquent, la régulation transcriptionnelle à long terme pourrait reposer sur une proximité physique transitoire entre les séquences génomiques. Ils révèlent également comment la dynamique de contact et la variabilité temporelle du repliement des chromosomes sont modulées par la cohésine et le CTCF dans des cellules vivantes uniques et fournissent un cadre quantitatif pour comprendre le rôle de la dynamique du repliement dans les processus biologiques fondamentaux.