News – United States – Alternative genetic control mechanism based on the organization of DNA within the nucleus

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20 November 2020

par l’Université de Tokyo

Des chercheurs de l’Université de Tokyo ont identifié comment l’architecture du noyau cellulaire peut modifier l’activité des gènes chez les plantes Cette découverte révèle des connaissances fondamentales sur la régulation du génome et pointe vers de futures méthodes pour potentiellement manipuler l’expression de nombreux gènes simultanément

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Les longs brins d’ADN et les mécanismes protéiques nécessaires pour activer ou désactiver l’expression génique sont contenus, flottant dans les noyaux des cellules Le noyau est essentiellement un sac constitué d’une enveloppe flexible à double membrane qui est soutenue par un cadre interne à mailles fines de protéines appelées la lamina nucléaire

“L’ADN ne dérive pas sans but dans le noyau Nous nous attendons à ce qu’il y ait un positionnement spatial non aléatoire des gènes autour de la lame nucléaire », a déclaré le professeur Sachihiro Matsunaga, qui a dirigé le projet de recherche de la Graduate School of Frontier Sciences de l’Université de Tokyo, récemment publié dans Nature Communications

La régulation génique est souvent étudiée au niveau unidimensionnel de la lecture de la séquence d’ADN Des couches supplémentaires de régulation génique existent en 3-D en modifiant la forme du brin d’ADN Les exemples incluent le code épigénétique qui dicte à quel point enrouler les brins d’ADN et le phénomène des «gènes embrassant», où des segments distants du brin d’ADN se replient et modifient l’activité des gènes qui se touchent

Ces nouveaux résultats fournissent la preuve d’une autre méthode 3-D de régulation génétique impliquant non seulement l’architecture du génome, mais aussi l’architecture de son conteneur, le noyau

La communauté scientifique sait depuis longtemps que la forme et la taille du noyau peuvent fluctuer considérablement au cours de la vie d’une cellule et que ces changements peuvent même être chronométrés comme une “horloge interne” pour déterminer l’âge d’une cellule Cependant, ces découvertes ont été faites à l’aide de cellules animales Les plantes ne possèdent pas de gènes liés dans l’évolution aux gènes responsables de la lame nucléaire chez les animaux

“Les manuels contiennent généralement quelques phrases sur la lame animale, mais rien à dire sur la lame végétale”, a déclaré Matsunaga

Des travaux antérieurs en 2013 par certains membres de l’équipe de recherche ont identifié un groupe de quatre protéines appelées CROWDED NUCLEI (CRWN) comme les composants les plus probables de la lame nucléaire de la centrale.

Pour confirmer la présence de protéines CRWN dans la lame, les chercheurs ont d’abord attaché des étiquettes fluorescentes sur les protéines et isolé les noyaux des cellules racinaires de jeunes plants de cresson thale, la mauvaise herbe en bordure de route couramment utilisée dans les laboratoires de recherche. Ensuite, ils ont mesuré la localisation des protéines dans des images de microscopie à ultra haute résolution

Ces images extrêmement agrandies montrent des motifs en forme de trame formés par les protéines CRWN autour de la coquille du noyau

Les cellules végétales saines ont un noyau de forme ovale, ressemblant à un gros œuf au centre de la cellule Les plantes génétiquement modifiées pour manquer de protéines CRWN ont des noyaux plus petits et plus ronds que la normale, ce qui crée probablement un environnement plus encombré pour l’ADN à l’intérieur

Les chercheurs ont ensuite examiné les plantes génétiquement modifiées pour voir si d’autres gènes avaient des niveaux d’activité différents lorsque les gènes crwn étaient inhibés Plusieurs gènes connus pour être impliqués dans la réponse au cuivre étaient moins actifs, ce qui indique que d’une manière ou d’une autre la lame nucléaire est liée à la tolérance au cuivre

Les plantes dépourvues de protéines CRWN poussent plus courtes que les plantes saines, même dans un sol normal Thale cress avec des gènes crwn inactifs plantés dans un sol avec des niveaux élevés de cuivre est devenu encore plus petit avec une apparence nettement plus faible, une preuve supplémentaire que la lame nucléaire a un rôle dans la réponse des plantes au stress environnemental

Les chercheurs ont également visualisé l’emplacement physique des gènes de tolérance au cuivre dans le noyau des niveaux de cuivre normaux et élevés. Chez les plantes saines à haute teneur en cuivre, les gènes de tolérance au cuivre se sont regroupés et se sont rapprochés encore plus de la périphérie du noyau. Les gènes de tolérance au cuivre semblaient s’étendre et dériver autour des noyaux chez les plantes avec des gènes crwn inactifs

“Si le noyau de la plante a des régions distinctes pour la transcription active de l’ADN, il est probable que ces régions seront proches de la lame nucléaire Ceci est important et intéressant car il est opposé aux cellules animales, dont nous savons qu’elles ont des régions actives au centre des noyaux tandis que la périphérie est inactive », a déclaré Matsunaga

La plupart des technologies d’édition de gènes pour augmenter ou diminuer l’activité des gènes fonctionnent directement au niveau unidimensionnel de la modification de la séquence d’ADN du gène individuel Comprendre comment la lame nucléaire affecte l’expression des gènes pourrait révéler de futures méthodes pour modifier l’activité de nombreux gènes en même temps en resculptant le génome et la lame nucléaire

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