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Analyse moléculaire de l’organisation 3D du génome en méiose à l’aide d’un chromosome optimisé

 

La méiose est la division cellulaire qui ségrège les chromosomes homologues pour former les cellules reproductrices ou gamètes. En utilisant la technique de capture de conformation chromosomique (Hi-C) et en modifiant 150 kilobases d’un chromosome, les chercheurs ont caractérisé les réarrangements structuraux des chromosomes méiotiques essentiels pour leur ségrégation. Ils ont ainsi observé directement la formation de boucles de chromatine, maintenues relativement isolées les unes des autres. Ce travail, qui ouvre des perspectives pour l’étude de la recombinaison méiotique dans le contexte de l’organisation 3D du génome, a été publié dans la revue Molecular Systems Biology.

 

La méiose est la division cellulaire qui génère les gamètes chez les organismes à reproduction sexuée. En enchaînant deux ségrégations chromosomiques sans duplication intermédiaire du matériel génétique, elle permet le passage d’une cellule diploïde contenant deux copies  homologues de chaque chromosome (d’origine maternelle et paternelle), à quatre cellules haploïdes ne contenant qu’un seul jeu de chromosome. Une étape importante et commune à de nombreuses espèces se produisant lors de cette division cellulaire est l’appariement des chromosomes homologues lors d’une longue prophase. Cet appariement, essentiel à la bonne ségrégation des chromosomes, se déroule concomitamment avec la condensation des chromosomes via des boucles de chromatine (complexe nucléoprotéique – ADN + histones – structurant les chromosomes). Ces boucles sont ancrées au complexe synaptonémal, une structure protéique qui maintient les chromosomes appariés. La prophase est également le moment ou les chromosomes recombinent via la formation de crossing-over permettant à la fois leur ségrégation correcte vers des pôles cellulaires opposés et le brassage de l’information génétique.


Plus d’un siècle d’études a permis de caractériser les réarrangements structuraux des chromosomes méiotiques, notamment par des approches de microscopie permettant de visualiser l’appariement et la condensation des chromosomes sous forme de boucles de chromatine, ainsi que la structure du complexe synaptonémal. Depuis quelques années, la technique de capture de conformation chromosomique à l’échelle génomique (Hi-C) permet de connaitre au niveau moléculaire les interactions chromatiniennes. Couplée à la biologie synthétique, elle fournit aujourd’hui un outil complémentaire pour étudier la prophase méiotique.


Dans cette étude, les chercheurs ont ainsi utilisé une approche Hi-C pour analyser la structure des chromosomes lors de la prophase méiotique de la levure de boulangerie Saccharomyces cerevisiae. De manière attendue, ils observent une perte de contact entre centromères, ainsi qu’une augmentation des contacts internes à chaque chromosome, compatible avec une compaction par formation de boucles de chromatine. Les bases de ces boucles sont situées au niveau des sites de fixation de Rec8, une sous unité du complexe de cohésine (constituant de l’élément latéral du complexe synaptonémal). Les auteurs ont pu estimer que ces boucles chromatiniennes méiotiques, de taille hétérogène, sont  longues de 10 à 50 kilobases environ.


Les chercheurs ont également redessiné la séquence d’une région d’environ 150 kilobases par une approche de synthèse d’ADN, d’abord  pour optimiser sa détection par Hi-C mais surtout pour pouvoir la distinguer de la même région située en face sur le chromosome homologue. Ils ont pu ainsi révéler une augmentation significative et spécifique des contacts entre ces deux régions homologues, compatible avec un rapprochement via le complexe synaptonémal, sans pour autant conduire à un enchevêtrement des deux chromosomes.


Bien que la région étudiée par les auteurs contienne un point chaud de recombinaison (initiateur de crossing-over), la technique actuelle de capture de conformation chromosomique ne permet pas encore de capturer les intermédiaires de recombinaison. Cependant, les outils mis en place ouvrent des perspectives prometteuses pour l’étude de la recombinaison méiotique dans le contexte de l’organisation 3D du génome.

 

Figure : A. caractérisation de boucles de chromatine. Matrice de contact du chromsoome VI obtenue par la technique Hi-C au cours de la prophase méiotique. Les signaux foncés reflètent l’apparition de domaines chromatiniens compatibles avec des boucles de chromatine, comme illustré sous la matrice. B. Matrices de contacts entre deux régions homologues avant entrée en méiose (panel du haut) et au cours de la méiose (panel du bas). L’une de ces régions est optimisée pour l’expérience de Hi-C (Syn-HiC), et l’autre correspond à la séquence native (parentale). Les contacts entre ces régions sont quantifiés par Hi-C, révélant un enrichissement associé à l’entrée en méiose (% indiqués dans la matrice).

© R. Koszul

 

 

En savoir plus

 

Contact chercheur

 

  • Romain Koszul

    UMR 3525 (CNRS/ Institut Pasteur)
    Unité Régulation Spatiale des Génomes
    25 rue du Dr. Roux
    75015 Paris, France
    +(33) 140 61 33 25

 

Mise en ligne le 31 août 2018

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