Résumé
Mon projet de thèse a consisté à étudier les mécanismes du repliement tridimensionnel du génome dans les cellules eucaryotes. L’organisation des chromosomes est étroitement liée à la régulation de nombreuses fonctions biologiques, telles que le contrôle de l’expression génique, la réplication de l’ADN ou encore la stabilité génomique. La méthode de « chromosome conformation capture » Hi-C, qui permet la cartographie des interactions entre régions d’ADN, a révélé que chez de nombreuses espèces, le génome est organisé en domaines enrichis en interactions chromatiniennes, les « Topologically Associating Domains » (TADs). Les TADs sont apparus être des acteurs majeurs de la régulation du génome par leur capacité à définir spatialement des domaines fonctionnels. Cependant, les méthodes de chromosome conformation capture générèrent des profils d’interactions généralement moyennés à partir d’ensemble de cellules. Déterminer la nature du repliement des TADs en cellules individuelles est donc crucial pour comprendre la relation structure-fonction de ces domaines génomiques. Au cours de ma thèse, j’ai utilisé des techniques de marquage fluorescent d'ADN combinés à de la microscopie en super-résolution afin d’étudier l’organisation des chromosomes en cellules uniques. Chez la drosophile, les TADs coïncident avec le partitionnement de la chromatine en domaines épigénétiques distincts. Nous avons pu caractériser chez cette espèce que les chromosomes sont organisés en une série d’unités discrètes qui correspondent aux TADs, reflétant l’exclusion mutuelle de régions transcriptionnellement actives et inactives. Ces résultats indiquent que les TADs de drosophile forment des domaines physiques qui caractérisent un niveau d’organisation structurale des chromosomes en cellules uniques. Chez les mammifères, la majorité des TADs est formée grâce à l’action du complexe cohésine et à la présence de la protéine CCCTC-binding factor (CTCF) à leurs frontières. L'application de l'imagerie à super-résolution dans des cellules souches embryonnaires et des cellules progénitrices neuronales de souris nous a permis de caractériser l’hétérogénéité du repliement des TAD d’une cellule à l’autre. Nous avons notamment pu observer leur organisation en sous-domaines globulaires qui semblent représenter une propriété générale du repliement de la chromatine à l’échelle de la centaine de nanomètres. De plus, nos résultats indiquent que les interactions chromatiniennes sont fortement favorisées à l’intérieur des TADs dans la majorité des cellules. La déplétion de CTCF abolie l’organisation spatiale de la fibre de chromatine associée aux TAD, soulignant le rôle de cette protéine dans la génération de barrières physiques entre TAD adjacents. Ces données démontrent que le repliement dynamique des TAD est compatible avec l'établissement d'environnements chromosomiques dans lesquels les contacts sont privilégiés, et réconcilient ainsi la nature probabiliste du repliement de la chromatine avec le rôle proposé des TAD dans la définition spatiale d’unités génomiques fonctionnelles.