Résumé
La chromatine, assemblage d’ADN et de protéines, constitue le substrat de l’information génétique dans les cellules eucaryotes. Son organisation tridimensionnelle joue un rôle fondamental dans la régulation génique. Cependant, les mécanismes et les propriétés physiques multi-échelles qui sous-tendent cette organisation, au-delà de la formation des nucléosomes, restent encore mal compris. Dans cette thèse, nous abordons cette problématique à l’aide de concepts issus de la physique des polymères et de la physique statistique. Nos objectifs sont doubles : extraire les propriétés polymériques multi-échelles de la chromatine à partir de données expérimentales récentes (microscopie à super-résolution, m-FISH) et comprendre le couplage entre la dynamique du polymère et le paysage épigénétique. À cette fin, nous avons étudié un modèle de polymère magnétique, permettant d’attribuer à chaque segment un état d’expression ou de répression épigénétique, tout en analysant les transitions de phase et les interactions.Nos travaux, fondés sur l’analyse des fonctions de densité de probabilité des distances entre segments de la chromatine, révèlent la coexistence de deux phases polymériques distinctes : une phase dense et fractale, remplissant l’espace, et une phase plus diluée et confinée, générée par l’extrusion de boucles par des protéines telles que la cohésine ou la formation de gouttelettes via séparation de phase. En nous appuyant sur ces données expérimentales, nous avons démontré l’influence de cette dernière phase sur la fréquence des interactions entre segments, et proposé une méthode pour prédire l’emplacement de ces boucles à l’échelle de la cellule individuelle. Ces résultats ont été modélisés par une marche aléatoire hétérogène, caractérisée par une non-markovianité due à la phase confinée.En appliquant l’hypothèse de coexistence de ces deux régimes à des données à haute résolution issues du cerveau adulte de la drosophile, nous avons étudié les interactions entre éléments régulateurs de la transcription. Nous avons mis au point une méthode permettant d’estimer l’enrichissement des contacts entre promoteurs et amplificateurs en fonction de l’état de transcription dans les tissus cellulaires. Nos résultats mettent en lumière le rôle crucial des domaines topologiquement associés dans la modulation de ces contacts, et donc dans l’expression génique.Enfin, nous avons exploré numériquement, via des simulations Monte Carlo, le couplage entre l’organisation tridimensionnelle de la chromatine et son paysage épigénétique, en utilisant un modèle de polymère magnétique. Ce modèle, par analogie, établit un couplage dynamique entre un polymère fluctuant dans l’espace 3D et les propriétés internes des monomères via l’orientation des spins associés. Cette approche nous a permis de caractériser les transitions de phase du modèle, en présence et en absence de champ externe, fournissant ainsi un cadre théorique pour modéliser l’influence des facteurs épigénétiques sur l’organisation 3D de la chromatine.