3D organization of the chromatin fiber

par Lama Soueidan

Thèse de doctorat en Sciences de la Vie

Sous la direction de Dimitar Angelov.

Le président du jury était Gaël Yvert.

Le jury était composé de Dimitar Angelov, Gaël Yvert, Marc Lavigne, André Verdel, Stefan Dimitrov.

Les rapporteurs étaient Marc Lavigne, André Verdel.

  • Titre traduit

    Organisation 3D de la fibre de chromatine


  • Résumé

    L’état local de la chromatine joue un rôle crucial dans tous les processus génétiques comme le contrôle de la transcription, de la réplication et de la réparation de l’ADN, de la signalisation, etc... La structure précise de l’organisation 3D du deuxième ordre de compaction de la chromatine, aussi appelé fibre de 30 nm, a été le sujet d’intenses débats durant les 40 dernières années. En se basant sur les données in vitro, deux modèles concurrents se distinguent: le solénoïde et le zigzag. Dans le modèle solénoïde, des nucléosomes consécutifs interagissent pour former une trajectoire hélicoïdale avec courbure de l’ADN de liaison. Dans le modèle zigzag, deux hélices d’empilement de nucléosomes se forment, reliées par l’ADN de liaison qui peut être droit ou tordu. Durant ma thèse, j’ai développé une nouvelle approche expérimentale biochimique, appelée ICNN (Identification of the Closest Neighbor Nucleosome), permettant de déchiffrer les interactions entre nucléosomes voisins au sein de la fibre et ainsi de définir sous quelle forme la chromatine se compacte. Nous avons démontré que dans une fibre compactée H1-dépendante, les nucléosomes N+2 sont les plus proches voisins d’un nucléosome N arbitrairement choisit. Ces résultats montrent, sans ambiguïté, l’organisation zigzag de la fibre de 30 nm. De plus, cette organisation reste indépendante de la longueur de l’ADN de liaison, démontrant ainsi que la longueur des nucléosomes (177-227 bp) n’affecte pas la structure de la chromatine et ne peut donc pas être responsable de l’hétérogénéité structurale décrite dans la littérature. La dynamique et la structure de la chromatine peuvent être affectées par l’incorporation de variants d’histones. Nos expériences utilisant des assemblages H2A.Z ne montrent aucune différence de repliement entre les fibres contenant H2A.Z et H2A. Ces données suggèrent que le mécanisme de régulation de la transcription spécifique de H2A.Z est indépendant du repliement de la chromatine. CENP-A est un élément de la chromatine centromérique indispensable à la division cellulaire. Les images cristallographiques montrent que les nucléosomes contenant CENP-A sont plus ouverts que le nucléosomes conventionnels à cause d’une hélice α-NCENP-A plus courte. Parallèlement, des résultats récents de notre laboratoire ont montré que H1 ne se lie pas d’une façon stable aux nucléosomes contenant CENP-A, ne conduisant à aucune organisation de l’ADN de liaison (données non publiées). Notre étude au niveau de la chromatine a confirmé l'absence de repliement de la fibre contenant CENP-A en présence de H1. De manière intéressante, le remplacement de CENP-A par un mutant α-NH3-CENP-A restaure la bonne liaison de H1 et le repliement de la fibre avec une conformation habituelle en zigzag comme dans une fibre contenant H3.


  • Résumé

    The local chromatin state plays a crucial role in all fundamental DNA-templated processes, such as transcription control, DNA replication or repair, signaling, etc. The precise 3D organization of the second level folding, the so-called 30 nm fiber, has been a matter of intense speculations and debates over the past 40 years. Two competing models have been proposed on the basis of in vitro data, the solenoid and zigzag arrangements. In the solenoid model, consecutive nucleosomes interact with each other and follow a helical trajectory with bent DNA linker. In the zigzag model, alternate nucleosomes interact with each other with straight, twisted or coiled linker DNA. During my thesis, I developed a new biochemical approach, called ICNN (Identification of the Closest Neighbor Nucleosomes), allowing a direct “visualization” of the neighboring nucleosomes within H1-dependent compacted chromatin. We showed that within H1-compacted regular nucleosomal array, N±2 nucleosomes are the nearest neighboring interaction partners of any arbitrary nucleosome N. This finding provides an unambiguous evidence for the zigzag two-start helix conformation of the 30 nm fiber. Furthermore, this organization remains independent on the DNA linker length, demonstrating that the nucleosome repeat length (177-227 bp) does not affect the chromatin structure and therefore cannot be a reason for chromatin structural heterogeneity as suggested in the literature. Chromatin structure and dynamics might be affected by the incorporation of histone variants. Our ICNN experiments with H2A.Z arrays showed no difference of folding between H2A.Z- and H2A-containing fibers. This finding suggests that the H2A.Z-specific transcriptional regulation involves mechanisms other than chromatin folding. CENP-A is a hallmark for centromeric chromatin that is indispensable for cell division. X-ray scattering in crystals showed that CENP-A-containing nucleosomes are more “open” than conventional ones due to the shorter α-NCENP-A helix. Besides, recent results in our lab showed that H1 does not stably bind to the CENP-A nucleosomes and that no stem organization of the linker is formed (not published). Our ICNN study at the chromatin level confirmed the absence of H1-induced folding of a regular CENP-A array. Interestingly, replacement of CENP-A with the α-NH3-CENP-A mutant restored proper H1 binding and folding of the fiber into the usual zigzag conformation, as does the conventional H3-containing fiber.

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