Dynamique Spatio-temporelle des Fonctions Génomiques

Comprendre les chromosomes à l'interface physique-biologie

Le génome mammifère est organisé, tant dans l’espace 3D du noyau cellulaire que le long de la séquence 1D de l’ADN. Des positions préférentielles dans le noyau sont observées à différentes échelles, des chromosomes entiers jusqu’aux loci individuels, et semblent étroitement liées aux nombreux processus biologiques impliquant l’ADN (transcription, réplication, réparation, etc.). Cette organisation tridimensionnelle multi-échelle des chromosomes est dynamique, dépend du type cellulaire, est modulée en réponse à des signaux externes, et est perturbée dans de nombreuses maladies.

Comprendre les causes physiques et les conséquences biologiques de cette organisation dynamique est essentiel pour décrypter le génome. Notre équipe étudie ces deux aspects :

• Principes physiques régissant l’organisation et la dynamique des chromosomes : Différents mécanismes ont été identifiés pour expliquer comment les chromosomes, des molécules extrêmement longues, se replient en différentes structures à des échelles spatiales et génomiques variées (territoires chromosomiques, compartiments, TADs, boucles). Dans ce contexte, la nature physique des chromosomes joue un rôle central : leur nature polymérique impose des contraintes topologiques et des propriétés dynamiques complexes, leur état matériel (liquide, gel, etc.) détermine leur plasticité et leur capacité à s’auto-organiser dans l’espace, et l’action de nombreux moteurs moléculaires consommant de l’énergie entraîne et maintient les chromosomes dans des conformations dites hors d’équilibre. Nous cherchons à comprendre comment ces aspects physiques des chromosomes contribuent à leur organisation et à leur dynamique dans le noyau mammifère. 

• Implications fonctionnelles pour la régulation des gènes : Les positions absolues et relatives des gènes dans l’espace 3D et le long du génome linéaire sont étroitement liées à leur régulation. En effet, certains gènes ont tendance à se retouvier physiquement proche dans l’espace lors qu’ils sont co-régulés par un même facteur de transcription. À plus petite échelle, en cis, les TADs sont considérés comme des régions régulatrices dans lesquelles plusieurs gènes sont exposés à un même paysage d’enhanceurs et contiennent souvent des gènes fonctionnellement liés. Nous cherchons à comprendre comment les mécanismes de régulation locale, opérant dans des microenvironnements nucléaires et des structures conformationnelles des chromosomes, peuvent  contribuer à co-réguler l’expression de plusieurs gènes.

Une approche interdisciplinaire et quantitative

Notre équipe interdisciplinaire, à l’interface entre la physique et la biologie, réunit des membres aux parcours et expertises variés (biologie moléculaire et cellulaire, microscopie, biochimie, bioingénierie, physique théorique et informatique). Nous nous appuyons sur le développement de techniques et sur des approches de pointe en :

• Microscopie avancée – incluant l’imagerie de molécules uniques sur cellules fixées et vivantes,

• Micro-manipulation mécanique – en particulier, un nouvel outil que nous avons développé pour manipuler les chromosomes dans les cellules vivantes,

• Modélisation physique – modélisation de polymères et physique statistique hors équilibre.

Projets

Nous présentons ci-dessous deux exemples de projets en cours dans l’équipe.

Explorer la mécanique des chromosomes dans les cellules vivantes par micro-manipulation magnétique

Au cours des dernières décennies, notre compréhension des principes physiques organisant le génome en 4D a considérablement progressé. Cependant, des questions fondamentales sur l’état physique des chromosomes restent ouvertes, en grande partie en raison de l’impossibilité de réaliser des perturbations mécaniques directes et des mesures sur les chromosomes en interphase dans les cellules vivantes.

Pour répondre à cette problématique, nous avons développé avec nos collaborateurs un nouvel outil permettant de manipuler activement un locus génomique dans le noyau des cellules vivantes [Keizer et al. (2022) Science, 377:6605]. Cette approche consiste à cibler sur un locus génomique d’intérêt des nanoparticules contenant un coeur d'oxyde de fer et à applique un champ magnétique contrôlé à l’aide d’un micro-aimant fabriqué sur mesure.

Grâce à cette nouvelle technologie, nous avons pu réaliser les toutes premières mesures décrivant comment un locus génomique réagit lors qu'il est soumis à une force ponctuelle dans son environnement nucléaire natif. En observant son déplacement en réponse à une force et son retour lorsque l'on cesse d'appliquer cette force, nous avons pu caractériser les propriétés mécaniques des chromosomes et extraire des paramètres physiques clés, offrant un aperçu inédit de la nature matérielle de la chromatine et des chromosomes en interphase. Ces mesures constituent une base essentielle pour le développement de nouveaux modèles physiques des chromosomes. Plus d’informations ici.

Notre technologie ouvre des perspectives uniques [Coulon et al. (2025) Curr. Opin. Genet. Dev.]. Elle va en particulier permettre de perturber expérimentalement des processus biologiques génomiques, avec des applications potentielles dans tous les domaines de la biologie du génome, y compris la transcription, la réplication, la réparation de l’ADN et la ségrégation des chromosomes. En outre, elle offre des opportunités nouvelles en mécanobiologie, notamment pour étudier comment l’expression des gènes peut être influencée par des signaux mécaniques transmis du cytosquelette au noyau.

Co-régulation locale des gènes et structures conformationnelles 3D du génome

En dessous de l’échelle de la mégabase, les techniques de capture de conformation des chromosomes ont révélé que le génome est organisé en domaines d’association topologique (TADs), qui sont des régions du génome ai sein desquelles on observe un enrichissement de contacts. Les TADs sont vu comme influençant la régulation génique en imposant des contraintes spatiales sur la communication entre les enhancers et leurs gènes. En accord avec cette vision, les gènes situés dans un même TAD ont tendance à avoir une activité transcriptionnelle corrélée parmi les cellules, les tissus et au cours du développement. Ces observations dépeignent les TADs comme des unités de régulation du génome, où des même mécanismes de régulation pourraient simultanément affected plusieurs gènes d’un même domaine.

Par ailleurs, une expression corrélée est souvent observée entre des gènes fonctionnellement liés, par exemple ceux codant pour les protéines d’un même complexe. Cet effet est encore plus marqué pour les gènes proches sur la séquence du génome, ce qui soulève la possibilité que l’organisation locale du génome en 3D joue un rôle dans la co-régulation des gènes fonctionnellement associés. Cependant, ces mécanismes de régulation restent encore mal compris.

Pour étudier le rôle du repliement local du génome dans la co-régulation des gènes, nous avons optimisé et combiné sur un même échantillon l’imagerie FISH ARN molécule unique et FISH ADN oligopaint/iFISH. Grâce à cette approche d'imagerie FISH ARN/ADN en 6 couleurs, nous mesurons la coordonnation de l’activité de gènes individuels à l’échelle de loci uniques afin de comprendre les principes qui régissent la régulation génique locale et à l’échelle des domaines [Kerlin et al. (2025) bioRxiv]. Nos objectifs sont de comprendre comment des mécanismes locaux peuvent co-réguler l'expression de plusieurs gènes à un locus endogène unique et comment l’organisation du génome en TADs influence cette co-régulation.