Models of chromosome architecture and connection with the regulation of genetic expression

par Guillaume Le Treut

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Henri Orland et de François Képès.

Soutenue le 29-11-2016

à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Physique en Île-de-France (Paris) , en partenariat avec Université de Paris-Sud (établissement opérateur d'inscription) et de Institut de Physique Théorique (Saclay, Essonne) (laboratoire) .

Le président du jury était Ralf Everaers.

Le jury était composé de Henri Orland, François Képès, Ralf Everaers, Cristian Micheletti, Ralf Blossey, Enrico Carlon, Françoise Livolant.

Les rapporteurs étaient Cristian Micheletti.

  • Titre traduit

    Modèles de l'architecture du chromosome et lien avec la régulation de l'expression génétique


  • Résumé

    Plusieurs indices suggèrent que le repliement du chromosome et la régulation de l’expression génétique sont étroitement liés. Par exemple, la co-expression d’un grand nombre de gènes est favorisée par leur rapprochement dans l’espace cellulaire. En outre, le repliement du chromosome permet de faire émerger des structures fonctionnelles. Celles-ci peuvent être des amas condensés et fibrillaires, interdisant l’accès à l’ADN, ou au contraire des configurations plus ouvertes de l’ADN avec quelques amas globulaires, comme c’est le cas avec les usines de transcription. Bien que dissemblables au premier abord, de telles structures sont rendues possibles par l’existence de protéines bivalentes, capable d’apparier des régions parfois très éloignées sur la séquence d’ADN. Le système physique ainsi constitué du chromosome et de protéines bivalentes peut être très complexe. C’est pourquoi les mécanismes régissant le repliement du chromosome sont restés majoritairement incompris.Nous avons étudié des modèles d’architecture du chromosome en utilisant le formalisme de la physique statistique. Notre point de départ est la représentation du chromosome sous la forme d’un polymère rigide, pouvant interagir avec une solution de protéines liantes. Les structures résultant de ces interactions ont été caractérisées à l’équilibre thermodynamique. De plus, nous avons utilisé des simulations de dynamique Brownienne en complément des méthodes théoriques, car elles permettent de prendre en considération une plus grande complexité dans les phénomènes biologiques étudiés.Les principaux aboutissements de cette thèse ont été : (i) de fournir un modèle pour l’existence des usines de transcriptions caractérisées in vivo à l’aide de microscopie par fluorescence ; (ii) de proposer une explication physique pour une conjecture portant sur un mécanisme de régulation de la transcription impliquant la formation de boucles d’ADN en tête d’épingle sous l’effet de la protéine H-NS, qui a été émise suite à l’observation de ces boucles au microscope à force atomique ; (iii) de proposer un modèle du chromosome qui reproduise les contacts mesurés à l’aide des techniques Hi-C. Les conséquences de ces mécanismes sur la régulation de la transcription ont été systématiquement discutées.


  • Résumé

    Increasing evidences suggest that chromosome folding and genetic expression are intimately connected. For example, the co-expression of a large number of genes can benefit from their spatial co-localization in the cellular space. Furthermore, functional structures can result from the particular folding of the chromosome. These can be rather compact bundle-like aggregates that prevent the access to DNA, or in contrast, open coil configurations with several (presumably) globular clusters like transcription factories. Such phenomena have in common to result from the binding of divalent proteins that can bridge regions sometimes far away on the DNA sequence. The physical system consisting of the chromosome interacting with divalent proteins can be very complex. As such, most of the mechanisms responsible for chromosome folding and for the formation of functional structures have remained elusive.Using methods from statistical physics, we investigated models of chromosome architecture. A common denominator of our approach has been to represent the chromosome as a polymer with bending rigidity and consider its interaction with a solution of DNA-binding proteins. Structures entailed by the binding of such proteins were then characterized at the thermodynamical equilibrium. Furthermore, we complemented theoretical results with Brownian dynamics simulations, allowing to reproduce more of the biological complexity.The main contributions of this thesis have been: (i) to provide a model for the existence of transcrip- tion factories characterized in vivo with fluorescence microscopy; (ii) to propose a physical basis for a conjectured regulatory mechanism of the transcription involving the formation of DNA hairpin loops by the H-NS protein as characterized with atomic-force microscopy experiments; (iii) to propose a physical model of the chromosome that reproduces contacts measured in chromosome conformation capture (CCC) experiments. Consequences on the regulation of transcription are discussed in each of these studies.


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