Etude du lien entre structure physique du polymère d'ADN et expression des gènes

par Clément Delannoy

Projet de thèse en Physique pour les Sciences du Vivant

Sous la direction de Bahram (phys) Houchmandzadeh et de Ivan Junier.

Thèses en préparation à l'Université Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale physique (Grenoble) , en partenariat avec Laboratoire Interdisciplinaire de Physique (laboratoire) et de BIOP : Biophysique : fluctuations, régulations et évolution des systèmes vivants (equipe de recherche) depuis le 10-10-2017 .


  • Résumé

    La structure physique du polymère ADN et ses conformations ont une influence cruciale sur la façon dont l'information génétique est traduite dans la cellule. Plus précisément, l'information génétique des organismes inscrite dans le polymère d'ADN est constamment transcrite par les protéines ARN polymérases (ARNPs) pour produire des ARN messagers – qui, eux-mêmes, sont constamment traduits par les ribosomes pour produire des protéines. L'initiation de la transcription s'effectue au niveau des promoteurs des gènes, tandis que la phase d'élongation conduisant à la synthèse d'un ARN messager nécessite un « démêlage » constant des brins de la double-hélice par l'ARNP transcrivant l'ADN. En raison des contraintes topologiques liées à l'enchevêtrement de ces brins, la dénaturation de l'ADN peut affecter aussi bien le repliement global de l'ADN que la structure locale des promoteurs des gènes voisins, c'est-à-dire la capacité des gènes correspondants à être transcrits. En résulte un système complexe d'interdépendances multi-échelles entre, d'un côté, activité transcriptionnelle et, de l'autre, structuration physique de l'ADN. Ce système joue un rôle central chez les bactéries en raison de la grande densité en gènes de leur génome – 80% de l'ADN bactérien est de nature génique. La thèse consistera à caractériser les propriétés physiques et fonctionnelles du système ADN-ARNPs. Deux points de vue seront adoptés: i) celui des grandes échelles (quelques centaines de milliers de paires de bases) pour lequel nous aborderons le problème de la structure spatiale à l'aide de simulations numériques de type Monte-Carlo et ii) celui des petites échelles (quelques milliers de paires de bases, correspondant à quelques gènes bactériens) pour lequel nous étudierons la dynamique du couplage transcription- structure de l'ADN à l'aide de simulations numériques de type dynamique brownienne. Ces études seront comparées aux expériences menées en parallèle par des collaborateurs.

  • Titre traduit

    Study of the interplay between physical structuring of DNA polymer and gene expression


  • Résumé

    The physical structure of DNA polymer and its conformations has a crucial influence on how genetic information is processed inside the living cell. The information processing is called «gene expression». More precisely, the so-called RNA polymerases (RNAPs) continuously transcribe genetic information that is encoded in the DNA polymer in order to produce RNA messengers – which are further translated by ribosomes to produce proteins. Transcription initiation occurs at the promoters of genes, while the elongation phase leading to the synthesis of a messenger RNA requires the transcribing RNAP to unwind the strands of the DNA double helix. Due to topological constraints related to the intricacy of these strands, this DNA denaturation can affect both the global folding of the molecule as well as the local structure of neighboring promoters, that is, the capacity of neighboring genes to be transcribed. As a result, the basal functioning of living organisms relies on a complex, multi-scale interplay between transcriptional activity and physical structuring of DNA. This interplay plays a central role in bacteria because of the high gene density of their genome – 80% of bacterial DNA encodes genes. The PhD aims at characterizing the physical and functional properties of the system DNA-RNAPs. Two viewpoints will be adopted: i) a large-scale viewpoint (several hundreds thousands base pairs) for which we will tackle the problem of spatial structuring thanks to Monte-Carlo numerical simulations and ii) a small-scale viewpoint (several thousands base pairs, corresponding to a few bacterial genes) for which we will study the dynamics of the coupling between DNA transcription and DNA structuring thanks to Brownian dynamics simulations. These studies will be confronted to experiments from collaborators.