Un protocole optimisé d'analyse de conformation des chromosomes révèle l'organisation multi-échelle du génome des Euryarchaea

Résultats scientifiques Génétique, génomique

Dans ces travaux publiés dans la revue Molecular Cell, les scientifiques ont développé un protocole de capture de conformation des chromosomes pour bactéries et archées permettant d'atteindre une résolution de l'ordre du gène. Appliqué à trois Euryarchaeota, il montre que, contrairement aux génomes de Crenarchaeota récemment publiés, les chromosomes de ces espèces ne sont pas structurés en compartiments actifs et inactifs, mais en domaines et boucles de chromatine.

Les archées sont des organismes unicellulaires qui constituent l'un des trois domaines du vivant sur terre. Les archées se subdivisent en plusieurs sous-groupes, dont  les Euryarchaeota et les Crenarchaeota. Bien qu'on les trouve dans tous les types d'environnement, y compris le corps humain, les lacs acides et les sources chaudes, les archées sont mal connues par rapport aux deux autres domaines : les bactéries (procaryotes) et les eucaryotes. Comme les bactéries, les archées n'ont pas de noyau cellulaire ou d'autres organites, mais au niveau génétique, elles ressemblent en fait davantage aux eucaryotes, avec de nombreuses espèces présentant des éléments tels que des histones ou des copies multiples de leur génome. C'est probablement cette combinaison de traits qui les rend capables de s'adapter à des milieux aussi variés et extrêmes.

L'année dernière, les premières expériences de capture de conformation des chromosomes (Hi-C), réalisées sur deux espèces d'archées du phylum Crenarchaeota, ont permis pour la première fois de mieux appréhender l'organisation de l'ADN des chromosomes archéens. Avec une résolution de 30 kilobases, les auteurs ont montré que les génomes de ces espèces sont organisés en deux compartiments, avec des activités d'expression génique plus ou moins importantes, et que cette organisation est médiée par une protéine appelée coalescine (ClsN). Comme ces types de compartiments ont déjà été identifiés chez de nombreux eucaryotes, la conclusion de cette étude était que les Archées avaient en commun une organisation chromosomique de type eucaryote.

Dans cet article, les scientifiques ont développé un protocole Hi-C amélioré pour procaryotes et archées qui permet d'accéder à une bien meilleure résolution. Ce protocole a été validé sur les espèces bactériennes Escherichia coli et Vibrio cholérae. Il a permis de générer des cartes de contact d'une résolution de 500 paires de bases et de dévoiler des structures chromosomiques au niveau des gènes qui n'avaient pas encore été détectées. Les chercheurs ont généré des cartes de contact d'autres espèces d'archées appartenant au phylum des Euryarchaeota à une résolution allant jusqu'à 1 kb (1 000 bases), soit une amélioration de 30 fois par rapport aux données antérieures. Cela a permis d'explorer davantage la diversité du repliement des chromosomes dans le domaine des archées. Il apparait que, contrairement au Crenarchaeota, les trois espèces d'Euryarchaeota étudiées ne sont pas organisées en compartiments corrélés à des activités d'expression génique plus ou moins élevées. Au lieu de cela, les génomes sont composés de domaines auto-interagissants plus petits et de boucles de chromatine. Ces structures sont médiées par une combinaison de l'expression des gènes et d'une protéine de type "maintenance structurelle du chromosome (SMC), un acteur majeur de l'organisation des génomes eucaryotes et procaryotes.

Dans leur ensemble, ces résultats démontrent que, comme pour les bactéries et les eucaryotes, il n'existe pas de solution unique à l'organisation des chromosomes chez les archées. Au lieu de cela, ces résultats montrent que les mêmes mécanismes que ceux trouvés chez les eucaryotes et les procaryotes sont à l'œuvre dans cette branche du vivant : l'expression des gènes et les protéines de type SMC sont ubiquitaires dans le monde vivant, mais l'influence et les rôles de ces mécanismes dans l'organisation 3D des chromosomes varient d'une espèce à l'autre.

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© Roxane Lestini, Charlotte Cockram, Romain Koszul
 
Figure : Le protocole Hi-C optimisé permet d’atteindre une résolution de l’ordre de 0.5 kb chez les bactéries (i). Appliqué à l’archée Haloferax volcanii, il révèle une absence de compartimentalisation du génome (ii), des domaines d’auto-interactions (iii), et des boucles de chromatine médiées par la transcription et/ou un complexe SMC (iv).

 

Pour en savoir plus :

Euryarchaeal genomes are folded into SMC-dependent loops and domains, but lack transcription-mediated compartmentalization.
Cockram C, Thierry A, Gorlas A, Lestini R, Koszul R.

Mol Cell. 2020 Dec 22:S1097-2765(20)30905-9. doi: 10.1016/j.molcel.2020.12.013. 

Contact

Romain Koszul
Chercheur CNRS au Département génomes et génétique de l'Institut Pasteur

Laboratoire

Institut Pasteur, département génomes et génétique - (CNRS/Institut Pasteur)
25 rue du Dr. Roux
75015 Paris
France