Sonder la dynamique et la mécanique du génome à l’échelle d’un chromosome individuel – CHROMAG

Nous proposons ici de développer une stratégie polyvalente pour décorer des loci génomiques avec des nanoparticules fluorescentes ou magnétiques. Nos nouveaux outils nous permettront d'aborder des questions fondamentales, mais non résolues, sur la dynamique et la mécanobiologie du génome.

Nous avons réussi à exercer une force contrôlée sur un locus génomique grâce à des nanoparticules magnétiques, permettant pour la première fois de mesurer les propriétés physiques des chromosomes dans des cellules vivantes.

Quels sont les facteurs physiques contrôlant la dynamique conformationnelle des chromosomes individuels ? Comment l'architecture du génome réagit-elle aux contraintes mécaniques ? Comment les forces mécaniques modifient-elles l'activité transcriptionnelle ? Nos travaux permettront de répondre à ces questions.

Une publication est en cours de préparation sur la manipulation mécanique d’un locus génomique.

Le noyau, loin d'être le seul dépositaire de l'information génomique, est de plus en plus considéré comme une entité physique complexe, couplée mécaniquement et chimiquement à son environnement cellulaire. Il est maintenant clair que l'architecture tridimensionnelle et les propriétés physiques du génome jouent un rôle central dans ses fonctions génomiques et non génomiques. Au cours des dernières années, de nouvelles approches, notamment basées sur les techniques de capture de la conformation de la chromatine, ont révélé de multiples couches d'organisation conformationnelle étroitement liées aux fonctions du génome (transcription, replication, différentiation…).

Pourtant, malgré l'évolution rapide de notre compréhension de l'architecture du génome au cours des dernières années, plusieurs obstacles subsistent. Premièrement, les expériences sont principalement réalisées sur des populations de cellules ou dans des conditions fixées et il y a un besoin d'effectuer des mesures au niveau des cellules vivantes uniques afin d'aborder la dynamique conformationnelle de la chromatine à toutes les échelles, de la formation des boucles à celle des domaines, compartiments et territoires. Deuxièmement, la plupart des expériences (notamment les mesures d'imagerie) sont basées sur l'observation passive de la chromatine, éventuellement combinée à des altérations globales telles que le knock-down de gènes. Par conséquent, il est souvent difficile de faire la distinction entre corrélation et causalité. Troisièmement, il est essentiel de comprendre les propriétés de la chromatine en tant que matière active. Enfin, les chromosomes sont des objets mécaniques dont la conformation peut être modifiée dynamiquement en fonction des contraintes mécaniques exercées sur le noyau. Dans l'ensemble, il existe un besoin évident d'une description complète du génome qui tient compte des propriétés physiques des chromosomes, y compris les processus hors d'équilibre et les processus mécaniques qui contribuent à leur organisation dynamique dans le noyau.

Pour relever ce défi, nous proposons une approche novatrice qui consiste à perturber mécaniquement l'architecture du génome, au niveau du chromosome unique et avec une spécificité génomique, et à évaluer directement les effets associés sur l'organisation nucléaire et les fonctions génomiques. Pour ce faire, nous mettrons à profit l'expertise unique de notre consortium dans les domaines de la biophysique cellulaire, de l'édition du génome et de la nanochimie pour développer une stratégie permettant de décorer des loci génomiques dans des cellules vivantes avec des nanoparticules fluorescentes ou magnétiques par ciblage spécifique avec des protéines recombinantes catalytiquement inactives CRISPR/dCas9, complexées avec des ARNg synthétiques. Ces nouvelles nanosondes nous permettront d'imager et de manipuler physiquement des chromosomes individuels à des sites génomiques spécifiques dans des cellules mammifères et d'enregistrer l'effet de ces perturbations mécaniques (dans la plage du pN) sur les conformations et les fonctions chromosomiques. Ainsi, nous évaluerons directement : (i) les propriétés rhéologiques et élastiques des chromosomes individuels en interphase et le rôle des processus hors d'équilibre dans leurs conformations multi-échelles, (ii) comment les forces mécaniques affectent l'activité transcriptionnelle.

Notre approche contribuera à combler le fossé entre les essais biochimiques en population et les modèles biophysiques de la chromatine. Ainsi, nous parviendrons à une compréhension plus intégrative de l'organisation et de la dynamique nucléaire et nous ouvrirons de nombreuses perspectives pour l'étude d'une variété de questions scientifiques sur les différentes fonctions du génome (transcription, réparation, réplication) et sur l'altération de l'organisation du génome au cours de processus aussi divers que le développement, la différenciation, la maladie ou le vieillissement.