La chromatine sert de support à de multiples processus biologiques, cependant son organisation spatiale diffère fortement selon l'échelle considérée. L'expression des gènes est ainsi coordonnée par des éléments régulateurs dispersés dans le génome mais capables d'interagir entre eux. Chez les métazoaires, des expériences de capture de conformation de chromosome (3C) combinées au séquençage haut-débit (Hi-C) ont permis la découverte de domaines d'association topologique (TAD), à l'échelle de la mégabase. Puisque la résolution du Hi-C reste limitée, nous avons utilisé la 3C-qPCR pour explorer, dans des cellules souches embryonnaires murines, la dynamique chromatinienne à l'intérieur de ces domaines ainsi qu'à leurs bordures. Nous identifions ainsi une modulation des fréquences de contacts, sur quelques centaines de kilobases. Cette modulation est plus ou moins importante en fonction du contenu en gènes des domaines, mais elle semble néanmoins universelle. Des modèles dérivés de la physique des polymères permettent de décrire cette modulation sous la forme d'une hélice statistique, que la chromatine adopterait en moyenne et en l'absence d'interactions spécifiques, à l'intérieur des TAD. Cette hélice reflète certaines contraintes que la chromatine subit à l'échelle supranucléosomale. Elle est très affectée par les bordures, qui bloquent la modulation, mais elle l'est beaucoup moins par le contenu en histone de liaison H1. Par ailleurs, grâce à des résultats de Hi-C à haute résolution, nous montrons que la modulation observée chez les souris n'est pas retrouvée chez la drosophile, où les caractéristiques des TAD semblent avant tout liées au paysage épigénétique local. Pour ces deux organismes, la dynamique chromatinienne à l'intérieur des domaines est donc sous le contrôle de phénomènes différents / The chromatin hosts various biological processes. However, its organization differs considerably depending on the scale. For example, gene expression is coordinated by regulatory elements that are dispersed in the genome but that are able to interact within the tridimensional space of the nucleus. In the Metazoa, chromosome conformation capture (3C) assays combined with high-throughput sequencing (Hi-C) uncovered the existence of topologically associating domains (TADs), at the mégabase scale. Due to the limited resolution of Hi-C, we used the 3C-qPCR method to explore, in murine embryonic stem cells, the chromatin dynamics inside TADs as well as at their borders. We found that contact frequencies undergo a periodic modulation over large genomic distances (few hundred kilobases). This modulation is weaker in gene-deserts than in gene-containing domains but it seems nevertheless to be universal. Using models derived from polymer physics, we show that this modulation can be understood as a fundamental helix shape that chromatin tends to adopt statistically, when no strong locus-specific interaction takes place, within the TADs. This statistical helix reflects some constraints that the chromatin undergoes at the supranucleosomal scale. It is affected by TADs borders, which disrupt the modulation, but linker histone H1 depletion only leads to subtle changes in the helix characteristics. Furthermore, using high-resolution Hi-C data, we found that chromatin dynamics is unconstrained in Drosophila where it seems mainly linked to the local epigenetics landscape. Therefore, distinct genome organization principles govern chromatin dynamics within mouse and Drosophila topologically associating domains.

Au cours des dernières années, de nouvelles évidences semblent indiquer que, tout autant que sa séquence, l’organisation d’un génome dans l’espace et le temps est importante pour comprendre la fonction de celui-ci. Une des avancées fonda- mentales sur le sujet a été de présenter à l’échelle du génome la carte des inter- actions ADN-ADN. Ces interactions sont essentiellement de 2 types, soit entre chromosomes ou entre régions du même chromosome. Par la suite, la modélisa- tion a permis de visualiser et appréhender la structure tridimensionnelle (3D) du génome à partir des données 3C, ou d’une modélisation purement théorique. Une question importante et centrale demeure, soit de résoudre les mécanismes res- ponsables de l’organisation spatiale et fonctionnelle du génome. Notamment, une question est de savoir comment des processus nucléaires tels que la transcription affectent la structure du génome. Cependant, l’idée selon laquelle les données de types 3C capturent cette information dans la levure est remise en question par le fait que les modèles théoriques du génome récapitulent les caractéristiques mar- quantes soulignées par 3C. Pour répondre à cette question, nous avons conçu une approche qui, pour évaluer l’importance d’une interaction, se base sur la distri- bution d’interactions entre les 2 régions d’ADN mises en contacts. Nos résultats supportent l’hypothèse selon laquelle les éléments fonctionnels et propres aux données expérimentales de la structure 3D du génome se forment d’une manière spécifique à l’échelle de l’interaction et au type d’interactions. Par ailleurs, nos résultats indiquent qu’un grand nombre de facteurs de transcription induisent la proximité spatiale des gènes dont ils régulent l’expression. / Over the last decade, accumulating empirical evidence suggest that, as much as its sequence, a genome spatiotemporal organization is essential to understand it’s biological function. One of the major breakthroughs has been chromosome conformation capture (3C) experiments presenting DNA-DNA contact for whole genomes at unprecedented resolution (5-10kb). Along with genome-wide maps of DNA contacts came genome 3D modelling from experimental 3C data, and even from purely theoretical and biophysical basis. However, the mechanisms underlying the regulation of the genome spatial functional organization are still not well understood. Among other questions, how the regulation and event of nuclear processes such as transcription modulate genome structure or how genome structure affect these in turn is still not fully resolved. Moreover, computational models of S.cerevisae genome have recapitulated the hallmarks at larger scale of its 3D features. In order to contrast genome structural features arising from the event of biochemical and molecular activity, we have develop a method assessing the significance of structural features. The underlying principle is to consider for a given interaction, the two DNA regions put in contact and the distribution of existing interactions between these before assigning significance to the selected interaction. Using this method, we demonstrate that structural features resulting from potential biochemically active processes occur at precise scale on the genome. Our results also highlight that exact nature of the interaction (between vs across chromosomes) is crucial to such events. Finally, we have also found that a large portion of transcription factors have their targeted genes in spatial proximity.

No description available.