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Audit Benjamin

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• Publié par: Udrue
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• Langue: Français

Extrait

Proposition de sujet de thèse :
Applications de la transformation ondelettes 1D et 2D pour l’analyse de l’organisation fonctionnelle et
structurelle des génomes
Alain Arneodo
Laboratoire Transdisciplinaire Joliot Curie et Laboratoire de Physique, Ecole Normale Supérieure de Lyon
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Situation du sujet
Les percées expérimentales en génomique concernent principalement le séquençage de génomes entiers,
l’obtention de profils d’expression pour un protéome complet et la détermination systématique des
interactions protéine-protéine. Afin de progresser dans l’annotation et l’interprétation de ces données
biologiques s’accumulant de façon vertigineuse, il apparaît comme nécessaire de proposer une cadre
commun pour leur analyse. La structure et la dynamique de la chromatine dans les cellules doivent garantir
l’accès coordonné aux régions promotrices des facteurs de transcription essentiels pour l’expression efficace
des gènes. De ce fait, il est très probable que les modifications topologiques de l’ADN in vivo participent à la
régulation fonctionnelle du génome. Chez la bactérie Escherichia coli, la transcription a principalement lieu
en surface du nucléoide. Des propriétés équivalentes sont observées pour l’expression des gènes dans le
noyau eucaryote. Réciproquement, les ARN- et ADN- polymérases, par leurs déplacements processifs sur les
chaînes de poly-nucléotides, peuvent jouer le rôle de moteurs moléculaires. Ces complexes protéiques
assurant la transcription et la réplication, sont donc tout à fait susceptibles de participer aux changements de
conformation de la chromatine. La régulation du génome apparaît ainsi fortement couplée à la structure et à
la dynamique de la chromatine et la localisation chromosomique des gènes pourrait bien être l’un des
facteurs de contrôle du programme d’expression.
Objectifs
L’objet de ce projet de thèse consiste à développer une étude comparative de diverses sources de données
génomiques, afin d’extraire des informations sur la structure et la dynamique de la chromatine en relation
avec la régulation de processus fonctionnels tels que la réplication et la transcription. Le projet s’articule
autour de deux axes majeurs.
Effet de séquence sur le positionnement des nucléosomes : périodicités locales versus corrélations à longue
portée. La disponibilité récente de données expérimentales sur le positionnement des nucléosomes (briques
de base de la structure chromatinienne eukaryote) le long de chromosomes de la levure et de l’homme,
devrait permettre d’élucider l’apparente contradiction entre les deux interprétations du positionnement du
nucléosome par la séquence proposées à ce jour dans la littérature : (i) la présence d’une périodicité locale de
l’ordre d’un pas d’hélice (10.5 nt) dans la distribution de certains di-nucléotides pouvant favoriser
l’enroulement de l’ADN autour de l’octamère d’histones pour former le nucléosome ; ( ii) l’existence d’une
distribution aléatoire corrélée à longue portée de ces sites de forte courbure locale pouvant engendrer une
courbure macroscopique de l’ADN propice à la formation du nucléosome. Un premier objectif sera donc
d’utiliser la transformation en ondelettes continue pour développer une analyse temps-fréquence comparative
des profils structuraux obtenus par codage di- ou tri-nucléotides des séquences ADN et des données
expérimentales de positionnement des nucléosomes le long des chromosomes de la levure afin de confirmer
l’existence d’une co-localisation des régions où l’on observe une périodicité de l’ordre de 10.5 nt dans les
profils structuraux et celles où l’on détecte une périodicité de 160-180 nt dans les profils expérimentaux,
signature de la présence de nucléosomes bien positionnés et régulièrement arrangés. Un deuxième objectif
consistera à utiliser la transformation en ondelettes continue pour sa capacité à détecter les singularités d’un
signal (analyse multi-échelle) afin de développer une méthodologie de détection automatique des régions
correspondant à l’absence d’un nucléosome observées dans les profils expérimentaux aux promoteurs des
gènes de la levure. La cartographie de ces régions devrait permettre de confirmer qu’elle correspondent bien
à des barrières énergétiques pour le nucléosome induites par les corrélations à longue portée présentes dans
la séquence ADN. L’étude du positionnement relatif de ces barrières énergétiques et des régions où les
nucléosomes sont bien positionnés devrait permettre de démontrer que la signature « périodicité locale » desest en fait la conséquence (et non la cause) d’un confinement des nucléosomes près de barrières
énergétiques distribuées de façon persistante, ce qui expliquerait que la signature « corrélations à longue
portée » aurait été sélectionnée par l’évolution comme ingrédient essentiel à l’arrangement des nucléosomesle long des chromosomes avec des régions défavorables au nucléosome correspondant à des régions
fonctionnelles nécessitant une accessibilité plus prononcée de l’ADN telles que les promoteurs de gènes. La
généralisation de cette étude aux chromosomes humains s’avère très prometteuse à bien des égards : (i) la
couverture génomique des gènes dans le génome humain étant beaucoup plus faible que dans la levure,
identifier les autres éléments génomiques (origines de réplication, cassures chromosomiques, translocations,
sites fragiles, …) associés aux barrières énergétiques détectées pourrait être très instructif quant à
l’organisation fonctionnelle du génome; (ii) positionner les zones en nucléosomes bien ordonnés près de
barrières (chromatine ouverte), ainsi que les zones « fluides » moins denses et plus flexibles dans le
positionnement des nucléosomes (chromatine fermée), dans les domaines de réplication récemment identifiés
dans les 22 autosomes humains par l’équipe d’accueil, pourrait révéler l’existence d’un lien entre domaines
structuraux et domaine de réplication et confirmer que les origines de réplication bordant ces domaines sont
bien des régions de chromatine ouverte.
Organisation du génome et structure tertiaire de la chromatine. L’objectif ultime de ce projet vise à mettre
en évidence une relation entre l’arrangement des nucléosomes le long du chapelet nucléosomal, la structure
tertiaire de la chromatine et l’organisation fonctionnelle du génome. Malgré des efforts expérimentaux et de
modélisation importants, la condensation du chapelet nucléosomal en la fibre de 30nm, les étapes
successives de repliements de celle-ci dans des structures d’ordre supérieur (solénoide, boucles en rosette,
boucles ancrées à un échafaudage protéique, pelote gaussienne) demeure controversée. De plus, la possibilité
que la séquence ADN joue un rôle important dans cette organisation à grande échelle constitue une énigme
non résolue. Suite à la prédiction in silico des origines de réplication humaines par l’équipe d’accueil, des
expérimentations ont été initiées au laboratoire Joliot-Curie pour étudier les relations structures/fonctions
entre ces origines de réplication putatives et l’organisation des niveaux supérieurs de la chromatine. En
alliant des techniques d’hybridation fluorescente in situ (marquage des origines) et de microscopie confocale,
l’objectif est de visualiser le rôle structurant de ces origines au niveau de la formation de boucles de
chromatine voire de structures en forme de rosette définissant des domaines fonctionnels tels que les foyers
de réplication. Ces expériences produisent un nombre important d’images qu’il est nécessaire de traiter
(débruitage, détection de contour) avant exploitation. Un travail d’adaptation des outils ondelettes 2D pour
l’analyse de ces images confocales sera donc nécessaire afin de pouvoir apporter une réponse à un certain
nombre de questions concernant la répartition spatiale des origines de réplication à l’intérieur des territoires
chromosomiques durant la phase S, leur position relativement au centre du noyau, leur aggrégation possible
en foyers de réplication pouvant expliquer la structure en forme de rosette de la fibre de chromatine,leur
possible localisation sur un échafaudag