Il n’y a pas que les gènes dans la vie !

Depuis le début du XXIème siècle, les chercheurs ont cherché à décrypter l’information génétique d’un très grand nombre d’organismes grâce au séquençage des génomes. Pourtant le constat actuel est que la diversité du vivant s’explique davantage par le moment précis et le type de cellule où un gène s’exprime, c'est-à-dire dans la régulation de son expression, que dans sa séquence ADN. Malgré l’effort considérable consacré au séquençage des génomes, il reste donc beaucoup de chemin à parcourir pour expliquer la diversité du vivant. L’émergence de « l’épigénétique », une information s’ajoutant au code génétique à quatre bases de l’ADN, permet de définir «l’environnement d’un gène » et de comprendre de mieux en mieux comment l’expression du génome est régulée (Voir le dossier Pour la science n° 81 - octobre - décembre 2013).

Initialement, l'environnement d'un gène a été défini par sa position sur le chromosome et par sa séquence d'ADN. Aujourd'hui pour décrire plus complètement l’information contenue dans cet environnement, l’état des protéines associées localement ainsi que la position du gène dans l’espace du noyau doivent être caractérisés. En effet, l’ADN des chromosomes n’est pas nu mais associé à de petites protéines appelées histones pour former la chromatine. De plus les chromosomes ne sont pas en vrac dans le noyau de la cellule mais organisés dans l’espace nucléaire, constituant différents domaines de chromatine. La combinatoire de ces trois types d'environnement, génétique, organisation locale et spatiale de la chromatine, permet de mieux expliquer la régulation de l’expression du génome.

Un autre constat déroutant issu de l’analyse des génomes est que 60-80% de l'ADN des animaux et des plantes ne s’exprime pas ou peu. Cet ADN « silencieux » est le plus souvent répété c'est-à-dire présent en de multiples copies dans le génome. Si les chercheurs s’accordent aujourd’hui sur le fait que cet ADN répété joue un rôle structural important dans l’organisation des chromosomes et de la chromatine, toutes ses fonctions ne sont pas totalement élucidées. L’un des axes de recherche actuel est de comprendre comment l’expression de cet ADN répété est contrôlée car en l’absence de régulation, il peut envahir le génome et induire une importante instabilité génétique. L’équipe dirigée par Aline Probst et Christophe Tatout (Rôle des variants d’histone et de l’architecture nucléaire sur organisation de l’hétérochromatine) s’intéresse aux séquences d’ADN répétéés comme modèle pour étudier la régulation de l’expression du génome. L’un des mécanismes mis en jeu est de compacter la fibre de chromatine en hétérochromatine afin de limiter son accessibilité aux facteurs impliqués dans la transcription. Dans le cas de la plante modèle Arabidopsis thaliana, l’hétérochromatine forme de petits amas de chromatine appelés des chromocentres qui sont facilement observables par microscopie (figure). Cette particularité permet ainsi d’étudier l’organisation spatiale de l’hétérochromatine au sein du noyau.

Les ADN répétés ne sont pas les seuls à permettre l’organisation spatiale de la chromatine dans le noyau. Un autre acteur important est l’enveloppe nucléaire qui isole les chromosomes du cytoplasme. Elle est constituée d'une double membrane : l’une, externe, est connectée au reste de la cellule, l’autre, interne, délimite la périphérie nucléaire. De gros complexes protéiques traversent cette double membrane comme le complexe LINC (LInker of Nucleoskeleton and Cytoskeleton), qui permet la transmission d'informations entre le cytoplasme et le noyau. Chez les végétaux, ce complexe joue un rôle dans l’assemblage de l’enveloppe nucléaire et dans le bon déroulement de la méiose.

L’équipe d’Aline Probst et Christophe Tatout a mis au point un logiciel d’analyse d’image pour décrire l’organisation spatiale de la chromatine dans les tissus d’Arabidopsis thaliana, lui permettant de confirmer que les chromocentres se positionnent à la périphérie nucléaire dans plusieurs types cellulaires (Poulet et al., 2015, 2017). Cet outil a été mis à profit pour étudier des mutants du complexe LINC afin de connaître le rôle éventuel de ce complexe dans l’organisation de l’hétérochromatine. Les conséquences des mutations sur l’organisation nucléaire sont multiples : dans les mutants la morphologie des noyaux est altérée, avec l’apparition de noyaux plus ronds, et les chromocentres sont plus diffus et plus éloignés de la membrane nucléaire, une indication que l’hétérochromatine est moins compacte. Les chercheurs ont alors examiné si ce relâchement et cet éloignement des chromocentres s’accompagnaient d’une augmentation de l’expression du génome par des techniques moléculaires plus classiques. Effectivement, ils observent une plus forte expression de l’hétérochromatine présente dans ces chromocentres. Leur conclusion est que le complexe LINC contribue au positionnement de l’hétérochromatine à la périphérie nucléaire, un environnement nécessaire pour la compacter et limiter son expression, voire la rendre silencieuse. Cette découverte illustre le rôle majeur de la membrane nucléaire dans la régulation de l’expression du génome.