Réseau thématique RNSC

Architecture et Dynamique Nucléaires (ADN)

Contexte et enjeu

L’ADN de nos cellules se présente aux enzymes responsables de son métabolisme sous la forme d'un complexe nucléoprotéique compact et cependant extrêmement dynamique: la chromatine. Ce complexe constitue la matière même des chromosomes, qui sont le support physiologique de l'information génétique. L'étude de l'architecture et de la dynamique des chromosomes - en particulier son rôle fonctionnel - est une clé pour comprendre la régulation de l'expression génétique, ainsi que plus généralement toutes fonctions cellulaires basées sur le métabolisme (réplication, recombinaison et réparation) de l'ADN. Cette compréhension est aussi nécessaire pour appréhender les conséquences des éventuelles perturbations de la structure chromatinienne, intervenant notamment lors de certains stress ou de la carcinogénèse.

Approche

Une approche interdisciplinaire est nécessaire pour aborder ces questions complexes. En combinant les techniques expérimentales de la biologie moléculaire et cellulaire, les approches haut-débits (génomique, transcriptomique), les moyens d'analyse de données de la (bio)informatique et des mathématiques, les outils de simulation de la physique théorique et les techniques récentes d'animation 3D, il devient possible d'élaborer une approche intégrée de l'architecture des chromosomes- et de l'information qu'ils portent - aux différentes échelles de taille impliquées.

Précision du contexte

L'information génétique requise pour générer, maintenir et reproduire un organisme est encodée dans des polymères géants d'acide désoxyribonucléique (ADN). Cet ADN est constitué d'un squelette de sucres et phosphates sur lequel sont fixées des bases (Adénine, Thymine, Cytosine, Guanine) et se présente le plus souvent sous la forme de deux brins antiparallèles formant une double-hélice droite. Le noyau d'une cellule eucaryote peut ainsi renfermer quelques milliards de paires de bases, soit plusieurs mètres d'ADN. Afin de tenir dans ce noyau dont le diamètre ne dépasse pas 10 µm, l'ADN est compacté au sein d'une structure, composée d'ADN et de protéines, qui forme les chromosomes et constitue le support physiologique de l'information génétique: la chromatine.Lors de la première étape de compaction, l'ADN interagit avec des protéines basiques - les histones - pour former des nucléosomes, sortes de "perles" constituées d'un octamère d'histones autour duquel s'enroulent environ 150 paires de bases d'ADN. Le "collier de perles" ainsi obtenu subit, sous l'action d'autres protéines, différentes étapes de surenroulement qui permettent de former la fibre de chromatine. C'est notamment à partir de l'étude de cette fibre (structure et dynamique) et donc de son constituant élémentaire (le nucléosome) que l'on espère avancer dans la compréhension de l'expression génétique chez les eucaryotes.Chez les procaryotes, l'ADN est compacté au sein du nucléoide, entité dynamique qui modifie sa structure globale en réponse aux changements de phase de croissance. Ces changements structurels sont corrélés aux changements dans la distribution (délimitation des domaines topologiques) et l'utilisation du surenroulement de l'ADN. À leur tour, ces paramètres sont modifiés à la fois par la proportion relatives des protéines du nucléoide et par l'activité transcriptionnelle. La structure des domaines elle-même est dynamique: des macrodomaines, grandes régions de l’ordre du mégabase, ont aussi été caractérisés indiquant l’existence de phénomènes de condensation et de localisation. L’analyse de réarrangements chromosomiques permet d’identifier des facteurs qui limitent la plasticité de ce génome bactérien et de déterminer comment les macrodomaines sont impliqués dans la progression du cycle cellulaire.

Positionnement thématique, motivations et fonctionnement du réseau

Des progrès importants ont été récemment réalisés concernant la mesure de la distribution et de l'état des nucléosomes le long du génome, ainsi que les repliements tridimensionnels de ce dernier, progrès qui permettent d'envisager à court terme l'obtention d'une ébauche de structure pour les chromosomes. Par ailleurs, les techniques récentes de réalité virtuelle fournissent une aide précieuse dans la modélisation de ces structures. Les questions les plus pertinentes concernent le positionnement des nucléosomes (comment ils sont induits par la séquence, comment ce positionnement influence l'architecture en interphase et métaphase), la dynamique du chromosome au cours du cycle cellulaire, le rôle de l'architecture nucléaire dans la régulation de l'expression génétique (lors des différentes étapes de la transcription ou lors de la mise en place de la différentiation cellulaire) et dans le métabolisme de l'ADN (réplication, recombinaison, réparation).L'objectif de ce réseau est de faire émerger des nouvelles thématiques et collaborations, notamment en confrontant les approches (théorie, simulation, expérience) et les disciplines (physique, biologie, chimie, informatique, mathématique) autour de la question complexe du maintien de l'intégrité du matériel génétique et du contrôle de son expression par l'architecture fonctionnelle des chromosomes(qu'ils soient eucaryotes ou procaryotes). Nous pensons en effet que seule une approche interdisciplinaire permettra de relever les défis que pose cette thématique.Différents groupes de travail composent ce réseau, chacun focalisé sur un aspect particulier (mais non exclusif, une même équipe pouvant intervenir dans plusieurs groupes), soit technique (micromanipulation, séquençage, microscopie, …) soit thématique (cancer, réplication, réparation, …).

Evénements, communication et interactions avec d'autres structures

Les aspects susmentionnés ont été abordés lors de 3 colloques (programme et participants à l'adresse: http://www.lptl.jussieu.fr/user/barbi/E/colloque/colloqueM3V.html) organisés par les responsables du réseau. Au-delà de son affiliation avec le Réseau National des Systèmes Complexes (http://rnsc.fr/tiki-index.php), le réseau thématique ADN est amené à établir et entretenirdes liens privilégiés avec d'autres groupementsexistants, tels le GDR Replication (GDR 2915, directeur Marcel Méchali) ou le GDRE SysBio (http://www.mpi-magdeburg.mpg.de/CNRS_MPG, directeur François Kepes); il sera en outre appelé, avec son développement, à s'insérer dans la communauté internationaleet interagir avec d'autres structures équivalentes existant en Europe et dans le monde.

Contact (coordinateurs du réseau):

Christophe LAVELLE
Régulation et Dynamique des Génomes, CNRS UMR 7196 / INSERM U565, Muséum National d'Histoire Naturelle
43 rue Cuvier, 75005 Paris
Tél 01 40 79 48 32 / 06 24 71 44 03
Email:lavelle@mnhn.fr

Jean-Marc VICTOR
LPTMC, CNRS UMR 7600, Université Pierre et Marie Curie, Tour 13
234 place Jussieu, 75252 Paris
Tél 01 44 27 45 54 / 06 81 46 98 23
Email:victor@lptmc.jussieu.fr

Un site web dédié sera bientôt mis en place.

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ANNEXE: liste des équipes participantes (mise à jour – 05/09/2011)

N°	Equipe	Responsable	Unité d'appartenance
1	Dynamique de la chromatine	Geneviève Almouzni	UMR 218, Institut Curie, Paris
2	Modélisation et imagerie numérique	Philippe Andrey	UMR 1318, INRA, Versailles
3	Variabilité phénotypique et mécanismes de régulation de l'expression génétique	Véronique Arluison / Jérôme Robert	FRE 3231, ENS, Paris
4	Organisation du génome et structuration de la chromatine	Alain Arnéodo	USR 3010, LJC-ENS, Lyon
5	Nanomanipulation de l'ADN	Aurélien Bancaud	UPR 8001, LAAS, Toulouse
6	Développement pré-implantatoire et dynamique du génome	Nathalie Beaujean	UMR 1198, INRA, Jouy en Josas
7	Epigénomique systémique	Arndt Benecke	USR 3078, IRI, Lille
8	Dynamique stochastique des systèmes réactifs et vivants	Olivier Bénichou	UMR 7600, LPTMC, Paris
9	Nanosystèmes biologiques	Ralf Blossey	USR 3078, IRI, Lille
10	Dynamique des Chromosomes et Recombinaison	Valérie Borde	UMR 218, Institut Curie, Paris
11	Moteurs de la ségrégation des génomes bactériens : mécanisme et diversité	Jean-Yves Bouet	UMR 5100, LMGM, Toulouse
12	Dynamique des complexes macromoléculaires	Malcolm Buckle	UMR 8113, LBPA, Cachan
13	Chromatine et expression génique	Kerstin Bystricky	UMR 5099, LBME, Toulouse
14	Chromatine et biologie cellulaire	Giacomo Cavalli	UPR 1142, IGH, Montpellier
15	Epigénétique et épigénomique végétales	Vincent Colot	UMR 9197, ENS, Paris
16	Complexes macromoléculaires en cellules vivantes	Maïté Coppey-Moisan	UMR 7592, IJM, Paris
17	Physique des biomolécules	Vincent Croquette	UMR 8550, LPS-ENS, Paris
18	Cell cycle chromosome dynamics	Olivier Cuvier	UMR 5099, LBME, Toulouse
19	Imagerie de la Machinerie Transcriptionnelle	Xavier Darzacq	UMR 8541, ENS, Paris
20	Transduction des signaux hormonaux et activation du génome	Eve Devinoy	UR 1196, INRA, Jouy en Josas
21	Mécanismes d'assemblage et de régulation de l'appareil génétique	Stefan Dimitrov	U823, IAB, Grenoble
22	Dynamique nucléaire et réparation de l’ADN	Karine Dubrana	CEA, Fontenay aux Roses
23	Répétitions centromériques et organisation du noyau	Christophe Escudé	UMR 7196, MNHN, Paris
24	Dynamique des chromosomes	Olivier Espeli	UPR3404, CGM, Gif-sur-Yvette
25	Matière molle et systèmes biologiques	Ralf Everaers	UMR 5672, ENS, Lyon
26	Régulation spatiale des chromosomes	Emmanuelle Fabre	URA 2171, Institut Pasteur, Paris
27	Groupe de Radiobiologie	Nicolas Foray	U836, INSERM, Grenoble
28	Mécanismes post-transcriptionnels et contrôle épigenetique de l’expression génique chez les mammifères	Thierry Forné	UMR 5535, IGMM, Montpellier
29	Biologie Moléculaire du Gène chez les Extrêmophiles	Patrick Forterre	UMR 8621, IGM, Orsay
30	Nuclear architecture and epigenetic control of differentiation	Claire Francastel	UMR 7216, Paris7, Paris
31	Organisation et dynamique nucléaire	Olivier Gadal	UMR 5099, LBME, Toulouse
32	Dynamique de la chromatin et regulation génique	Valérie Gaudin	IJPB, INRA, Versailles
33	Modifications Génomiques et Réponses Cellulaires	Carine Giovannangeli	UMR 7196, MNHN, Paris
34	Dynamique des structures et interactions des macromolécules biologiques	Brigitte Hartmann	UMR S665, INTS, Paris
35	Epigenèse et développement des mammifères	Edith Heard	UMR 3215, Institut Curie, Paris
36	Biophotonique cellulaire fonctionnelle	Laurent Héliot	USR 3078, IRI, Lille
37	Theoretical modeling of cellular physiology	David Holcman	ENS, Paris
38	Réplication des chromosomes eucaryotes	Olivier Hyrien	UMR 8541, ENS, Paris
39	Modeling and engineering genome architecture	François Képès	UPS 3201, Genopole, Evry
40	Epigénétique et signalisation cellulaire	Saadi Khochbin	U823, IAB, Grenoble
41	Analyse d'image et modélisation spatio-temporelle pour la biologie cellulaire	Kien Kiêu	UR 341, INRA, Jouy-en-Josas
42	Régulation spatiale des fonctions génomiques	Romain Koszul	URA 2171, Institut Pasteur, Paris
43	Polymorphisme et dynamique de la chromatine	Christophe Lavelle	UMR 7196, MNHN, Paris
44	Chromatine et intégration rétrovirale	Marc Lavigne	USR 3010, LJC-ENS, Lyon
45	Maintenance des génomes, microscopies moléculaires et bionanosciences	Eric Le Cam	UMR 8126, IGR, Villejuif
46	Structure et dynamique d’objets biologiques auto-assemblés	Françoise Livolant	UMR 8502, LPS, Orsay
47	Dynamique de la réplication chez les eucaryotes supérieurs	Kathrin Marheineke	UPR 2167, CGM, Gif-sur-Yvette
48	Laboratoire du métabolisme de l'ADN et réponses aux génotoxiques	Marie-Claude Marsolier-Kergoat	iBiTec-S, CEA, Gif-sur-Yvette
49	Structures, dynamiques et fonctions des complexes acides nucléiques protéines	Olivier Mauffret	UMR 8113, LBPA, Cachan
50	Réplication et dynamique du génome	Marcel Méchali	UPR 1142, IGH, Montpellier
51	ARN non codant, épigénétique et fluidité du génome	Antonin Morillon	UMR 3244, Institut Curie, Paris
52	Laboratoire de recherche sur l'instabilité génétique	Pablo Radicella	UMR 217, IRCM, Fontenay-aux-Roses
53	Chromatine bactérienne et régulation	Sylvie Rimsky	UMR 8113, LBPA, Cachan
54	Réseaux transcriptionnels et stabilité du génome	Bianca Sclavi	UMR 8113, LBPA, Cachan
55	Nanomanipulation de biomolécules	Terence Strick	UMR 7592, IJM, Paris
56	Compartimentation et dynamique des fonctions nucléaires	Angela Taddei	UMR 218, Institut Curie, Paris
57	Biologie et systèmes désordonnés	José Teixeira	UMR 12, CEA, Saclay
58	Analyse du génome	Claude Thermes	FRE 3144, CGM, Gif-sur-Yvette
59	Epigénétique : prolifération et différenciation	Christophe Thiriet	UMR 6204, U3B, Nantes
60	Domaines Chromatiniens au cours de l'Embryogenèse et de la Cancérogenèse	Yegor Vassetzky	UMR 8126, IGR, Villejuif
61	Rnai et épigénétique	André Verdel	U238 INSERM, IAB, Grenoble
62	Modélisation multi-échelles de la matière vivante	Jean-Marc Victor	UMR 7600, LPTMC, Paris
63	Cartographie fonctionnelle et méiose	Martine Yerle	UMR 444, INRA, Toulouse
64	Génétique des variations intra-espèces	Gaël Yvert	UMR 5239, LBMC, Lyon
65	Imagerie et Modélisation	Christophe Zimmer	URA 2582, Institut Pasteur, Paris

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