Les modèles d’organisation des territoires chromosomiques

Le modèle « Territoires Chromosomiques – Domaines Inter Chromatinien » (TC- ICD) (Zirbel et al., 1993)

Depuis la d écouverte des territoires chromosomiques, plusieurs modèles ont été développés pour comprendre la répartition sing ulière de la chromatine dans ce s structures. Les séquences n on codantes sont préférentiellem ent retrouvées à l’ intérieur des territoires chromosomiques et s’y distribuent uniformément (Verschure et al., 1999). La périphérie des TC

Figure 16 : Différents modèles de l'architecture nucléaire (Cremer et Cremer, 2010)

(A) Modèle territoire chromosomiques/domaines interchromatiniens (TC-IC). (B) Vue hypothétique de l 'architecture f onctionnelle d u noyau s elon l e m odèle TC -IC. Les domaines chromatin iens son t co nsidérés comme les p rincipaux con stituants d 'un TC. Les domaines interchromatiniens (IC D) sont des do maines sans AD N où se positionnent les différentes usines à transcription (vert) et d’épissage (jaune). (C) Selon le modèle lattice, les ICD son t les compartiments dans lesquels la fibre d e chromatine est sous l a fo rme de fi bres de 3 0 nm. (D) Sel on l e modèle des résea ux interchromatiniens (ICN) (Branco et Pombo, 2006), on observe un mélange des fibres chromatiniennes du m ême TC ai nsi qu e des TC av oisinants. Les poi nts bleus représentent l es si tes de c ontacts i ntra-chromosomique et i nter-chromosomique. (E ) Modèle proposé p ar Fraser et Bick more (2 007) pour illu strer la co -localisation d es gènes dans le noyau pour l'expression ou la co-régulation. Les usi nes à transcription (rose fo ncé) peu vent recruter des gènes en cis - et trans- situés s ur boucles de chromatine décondensée qui s'étendent à l'extérieur des territoires chromosomiques. Le cercle bleu illustre une interaction de co-régulation en trans-, qui peut se produire entre éléments de régulation.

Chapitre Bibliographique – Organisation et fonctionnement du génome dans le noyau cellulaire

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présente des gènes actifs ou inactifs (Kurz et al., 1 996). De plus, un marquage des territo ires chromosomiques et des us ines d’ épissage a montré que les transcrits sont préférentielle ment produits à l ’extérieur des TC et se positionnent dans un com partiment différent (Zirbel et al., 1993). A part ir de là, le po stulat de dom aine interchromatinien (ICD) a permis de pro poser un modèle où la transcription des gènes ne s’ effectue qu’à la périp hérie des TC, là où les gè nes sont accessibles (Figure 16A, B). Ce modèle est observé dans le cas particulier du chromosome X. L’inactivation du X surnuméraire chez les femelles passe par un arrêt de la transcription des gènes dus à leur mobilisation dans un domaine contenant des ARN Xist entraînant la répression. Les gènes a ctifs présents à la périphérie se reloc alisent lors de cette inactivati on au centre du territoire chromosomique du chromosome X (Chaumeil et al., 2006).

Cependant, certains auteurs ont observé la présence de gènes expri més à l’intérieur des TC (Mahy et al., 2002). De la même manière la diffusion des facteurs protéiques n’ est pas exclusive des dom aines in terchromatiniens. Un ajustem ent a donc été apporté à ce prem ier modèle TC-IC par la prise en co mpte d’un prem ier niveau d’or ganisation de la chro matine. Deux types d’organisations sont proposés (Figure 17) :

Soit l ’organisation se fait en dom aines d’envir on 1Mb au sein des TC ( Multi-Loop) (Cremer and Cremer, 2001). Ces domaines de 1Mb sont construits comme des rosettes formant des boucles de 100kb. Au sein de ces rosettes, les gènes actifs sont sur les boucles externes en contact avec les ICD alors que les gènes inactifs seraient plutôt à l’intérieur.

Soit l’organisation se fait en boucles de 3-5Mb ( Random Walk/Giant Loop) (Sachs et al., 1995) dont les ancrag es se font aléatoirement sur la chromatine. Ce modèle est proposé notamment pour les boucl es formées hors des territoires chro mosomiques qui seront évoqu ées plus loin.

Ces deux organisations de la chromatine ne s ont pas exclusives et peuvent coexister au sein d’un même chromosome. Par une étude ultra structurale, Visser et ses collaborateurs (2000) ont m ontré que ces domaines de chromatine sont presque tous séparé s par des dom aines interchromatiniens, seules quelques rares inter actions sont observées. Aucun entre mêlement entre les TC n’a été observé. Mais les limites techniques ne permettent pas d’exclure l’existence d’interactions plus fortes entre dom aines chro matiniens. Le modèle TC-IC présente toutefois des limites. Aucune expérience n’a mis en évidence un des deux modèles de sous-domaines et ce modèle ne prend pas en compte les interactions entre chromosomes.

Le modèle Lattice (Dehghani et al., 2005)

Des t echniques plus ré solutives telles que l'i magerie par spe ctroscopie élect ronique (ESI) ont mené certains auteurs à développer un autre modèle pour expliquer l’organisation des TC et des ICD (Dehghani et al., 2005). Ce modèle en réseau contredisant le modèle TC-IC a été proposé ( Figure 16C ). Les domaines interchrom atiniens ne for meraient pas un réseau de canaux libres dans le noy au m ais constitueraient pl utôt un maillage dense de fibres chromatiniennes de 10 nm à 30 n m. Cette conformation permettrait la diffusion libre des macromolécules dans tout le noyau comme observé expérimentalement (Verschure et al., 2003). Ce modèle propose égale ment que les fibres de di fférents chro mosomes soi ent capables de

Figure 17 : Visualisation de l’organisation du chromosome 15 humain (Knock et al., 1998) par simulations avec le modèle Random-Walk/Giant-Loop et le modèle

Multi-Loop.

Les boucles conséc utives ou les rosettes sont représentées respectivement en rouge et en vert. Les l iens sont en bleu. A gauche : le modèle Random-Walk/Giant-Loop avec une taille d e boucles de 5 Mb. Les grandes bou cles s'en tremêlent li brement san s caractéristique distincte. A dro ite: le m odèle Multi-Loop, avec une taille d e boucle de 126 kbp. Les ro settes formen t d es sou s-compartiments sép arés co mme d es en tités organisationnelles et dynamiques.

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s’entremêler dans une cer taine mesure à la bordure des TC. Dans ce modèle, les fibres de chromatine forment donc un réseau co ntinu à trav ers le nucléoplasme entier. Une combinaison ESI/immunomarquage révèle que l ’ARN Poly mérase II se trouve à la surf ace de ces fibres chromatiniennes dans la t otalité du noyau, à l'exception des nucléoles et d e l'hétérochromatine. Dans ce modèle, la conformation « libre » de la chromatine en fibre de 3 0 nm apparaît suffisante pour réguler l'activité des gènes.

Le modèle « Réseau Inter Chromosomique » (ICN) (Branco et al., 2006)

Le modèle : ICN ( Intrachromosomal Network) prend en com pte les interactions intra- ou même inter-chromosomiques (Figure 16D). En effet plusieurs interactions de ce ty pe ont été décrites (Spilianakis et al., 2005) et a pparaissent liées à une régulation supplém entaire de l’organisation chro mosomique. Des associations intrachromosomiques à longue distance so nt observées po ur la régulat ion de certains gènes ( Bulger et al., 1999). De plus, certai nes expériences utilisant l’hybridation in situ ont m is en évidence certains mélanges i mportants entre territoires chromosomiques (Branco and Po mbo, 2006). Ces auteurs ont m ontré qu’il n’y avait pas de différence en ter me de densité d’ADN dans les régions d’interactions et les régions intrachromosomiques (Branco and Po mbo, 2006) suggérant qu ’il n ’existe p as de différence entre la péri phérie et l’ intérieur des T C co mme da ns le modèle Lattice. Certaines structur es stabilisent ces associations entre chromosomes. En se basant sur ce modèle, (Fraser et al., 2007) proposent que les interactions entre l es chro mosomes per mettent une association pour la transcription des gènes. Des boucles d e chromatin e em ergeraient des TC po ur perm ettre la colocalisation des gènes dans les usine s à transcripti on (Figure 16E). Comme dans le modèle ICN, le s él éments r égulateurs en trans serai ent mis en contact avec les gènes qu’ ils régule nt dans le même TC ou dans le TC voisin. Cha que programme de transcription conduirait alor s à un arrangement spécifique entre chromosomes.

Les modèles présentés s ont loin d'être excl usifs et décrivent différents as pects d e l'organisation des chromosomes. La n otion de proximité basée sur l' organisation linéaire du génome e st contestée, ca r un nom bre croissant d' interactions distantes sont révélées. Le s chromosomes occupent des territoires différents observables en microscopie, cependant les fibres chro matiniennes qui les co mposent pourraie nt interagir pour réguler l’ expression ou la répression des gènes via des complexes particuliers.