Structure et dynamique de la chromatine : une étude spectrale des polymères critiques

Chromatin Structure and Dynamics : Insights from a Spectral Study of Critical Interacting Polymers

• Auteur / Autrice : Timothy Földes
• Direction : Maria Barbi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 21/12/2023
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique théorique de la matière condensée (Paris ; 1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Marie Jardat
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Antoine Coulon, Jean-Louis Barrat
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Daniel Jost, John F. Marko

Mots clés

Mots clés contrôlés

Langevin, Équation de

Hybridation in situ en fluorescence

Chromatine

Biopolymères

Mots clés libres

Biopolymère

Biophysique

Simulation

Biopolymer

Biophysics

Simulations

Résumé

L'objectif principal de cette thèse est de réaliser une étude complète de modèles de polymères afin d'établir des résultats de référence qui puissent améliorer l'analyse des données expérimentales sur la chromatine. Cette recherche porte à la fois sur les aspects d'équilibre et de dynamique, abordant des questions fondamentales sur le comportement des polymères dans les systèmes biologiques. Dans la première partie de la thèse, l'accent est mis sur les propriétés d'équilibre, fournissant un cadre théorique pour l'étude des données FISH séquentielles. Ceci inclut l'introduction de concepts essentiels de la physique des polymères à l'équilibre, tels que les chaînes gaussiennes. Il explore également le concept des modes de Rouse dans une nouvelle perspective, en le reliant aux techniques d'analyse du signal. Des simulations numériques de polymères auto-interagissant sont réalisées et analysées, ce qui conduit à la définition d'un paramètre d'ordre basé sur les spectres qui caractérise les états de repliement des polymères, jusqu'à l'établissement d'un diagramme de phase précis pour la transition de phase coil-globule. L'approche spectrale est finalement appliquée aux données FISH séquentielles avec deux résultats distincts. Premièrement, elle permet de détecter une signature spectrale indiquant un comportement critique des polymères, et validant ainsi l'utilité des modèles simples de polymères dans l'analyse de la chromatine. Deuxièmement, grâce à la mise en place d'un protocole d'analyse de données spécifique, elle permet de révéler des boucles non identifiées auparavant dans les mêmes données, offrant ainsi de nouvelles perspectives sur la étude de l'organisation fine de la chromatine. La deuxième partie de la thèse s'intéresse aux aspects dynamiques de la transition de phase coil-globule. Cette partie commence par introduire les concepts relatifs à la dynamique stochastique et à la dynamique des polymères, y compris l'équation de Langevin et le modèle (dynamique) de Rouse. Des simulations extensives de dynamique de Langevin de polymères auto-interagissants sont présentées, ainsi qu'un modèle de Rouse interagissant qui tient compte de la transition de phase coil-globule et des effets de volume exclu. L'introduction de contraintes topologiques dans les simulations met en évidence la robustesse de la dynamique de Rouse, qui n'est altérée de manière significative que dans les phases de globules denses. Dans le dernier chapitre, les nouveaux acquis sont utilisés pour expliquer des données apparemment paradoxales issues d'une étude récente de la dynamique de la chromatine de Drosophile, et donnent à nouveau des indications sur la pertinence d'un modèle de polymère proche de la transition, cette fois-ci pour décrire la dynamique des chromosomes. Dans l'ensemble, cette thèse fournit une base précieuse pour comprendre le comportement des polymères dans les systèmes biologiques et apporte des indications sur l'interprétation des données expérimentales relatives à la chromatine.

The primary objective of this thesis is to conduct a comprehensive examination of polymer models to establish reference results that enhance the analysis of experimental chromatin data. This research delves into both equilibrium and dynamic aspects, addressing fundamental questions about polymer behavior in biological systems. In the first part of the thesis, the focus is on equilibrium properties, providing a theoretical framework for the study of sequential FISH data. This includes introducing essential concepts of equilibrium polymer physics, such as Gaussian chains. It also explores the concept of Rouse modes in a new perspective, connecting it to signal analysis techniques. Computer simulations of self-interacting polymers are performed and analyzed, leading to the development of a spectral-based order parameter that characterizes polymer folding states, up to the establishment of a precise phase diagram for the coil-globule phase transition. The spectral approach is finally applied to sequential FISH data with two distinct results. Firstly, it detects a spectral signature indicating critical polymer behavior, thus validating the usefulness of simple polymer models in chromatin analysis. Secondly, thanks to the implementation of a specific data analysis pipeline, it reveals previously unidentified loops in the same data, offering new insights into the study of the fine chromatin organization. The second part of the thesis shifts attention to dynamical aspects of the coil-globule phase transition. This part begins by introducing stochastic dynamics and polymer dynamics concepts, including the Langevin equation and the (dynamical) Rouse model. Extensive Langevin dynamics simulations of self-interacting polymers are presented, along with an interacting Rouse model that accounts for the coil-globule phase transition and excluded volume effects. The introduction of topological constraints in simulations highlights the robustness of Rouse dynamics, which are only significantly altered in dense globule phases. In the final chapter, the acquired knowledge is applied to explain seemingly paradoxical data from a recent study of Drosophila chromatin dynamics, where again we find indications toward the pertinence of a polymer model at criticality, this time in describing chromosome dynamics. Overall, this thesis provides a valuable foundation for understanding polymer behavior in biological systems and offers insights into interpreting experimental chromatin data.