Les charges électriques contrôlent l'expression génétique

Dans les cellules vivantes, l'ADN n'est pas nu ; il s'enroule autour de protéines appelées histones et se replie en chromatine, une structure compacte qui limite et régule l'accès aux gènes. Pour contrôler quels gènes sont exprimés à un moment donné, les cellules utilisent des protéines appelées facteurs de transcription (FT) qui se lient à des sites d'ADN correspondant à une séquence d'ADN spécifique.

Les FT se présentent sous différentes formes ; chez l'être humain seulement, on en connaît actuellement entre 1 600 et 2 000, qui fonctionnent tous en diverses combinaisons pour exercer un contrôle génétique élégant et précis qui nous maintient, ainsi que tous les autres organismes vivants, en vie et en état de fonctionner.

Néanmoins, les FT sont confrontés à des défis. Ils doivent localiser quelques sites cibles courts dans le génome, parmi des millions de leurres dont la séquence d'ADN est légèrement différente. De plus, bon nombre des cibles sont enfouies dans une chromatine très compacte.

Certains FT, appelées « facteurs pionniers », se distinguent. Ils se lient à l'ADN même lorsque la chromatine reste compacte et aident à l'ouvrir pour d'autres FT. Nous savons aujourd'hui que les facteurs pionniers sont importants pendant le développement précoce de l’embryon, l'identité des cellules souches et les changements de destin cellulaire, mais qu'est-ce qui fait que certains d'entre eux sont plus efficaces que d'autres pour trouver leurs cibles ?

Trois scientifiques de l'EPFL, Sim Sakong, Beat Fierz et David Suter, ont cherché à répondre à cette question en étudiant deux FT étroitement liés : Sox2 et Sox17. Tous deux reconnaissent des séquences d'ADN similaires, mais Sox2 agit comme un puissant facteur pionnier, contrairement à Sox17. Ils ont découvert que la réponse réside dans de petites différences de charge électrique à l'extérieur du domaine de liaison à l'ADN, qui influencent fortement l'efficacité avec laquelle Sox2 et Sox17 recherchent l'ADN et pénètrent dans la chromatine.

L'étude est publiée dans Nature Communications.

Les chercheurs ont combiné génomique, imagerie moléculaire unique dans des cellules vivantes et expériences utilisant des molécules isolées dans un environnement chimiquement contrôlé. Cela a permis à l'équipe d'étudier la fonction des FT à partir d'une vue d'ensemble à l'échelle du génome, jusqu'au comportement des protéines individuelles.

Ils ont suivi les protéines Sox2 et Sox17 individuelles pendant qu'elles se déplaçaient, s'arrêtaient et se liaient à l'ADN, et les ont comparées à des variantes modifiées de chaque TF dont la charge avait été altérée. Cela leur a permis de mesurer combien de temps chaque FT restait attaché à l'ADN et à quelle vitesse il recherchait les gènes cibles.

L'équipe a également conçu des variantes de Sox2 et Sox17 pour lesquelles des régions spécifiques en dehors du domaine principal de liaison à l'ADN ont été échangées. Ces régions sont flexibles et peu structurées, ressemblant davantage à des queues mobiles qu'à des parties rigides, et elles portent des charges électriques différentes. En comparant ces variantes, les chercheurs ont pu isoler la manière dont la charge seule influençait le comportement de recherche de sites de liaison spécifiques sur l'ADN libre et sur la chromatine.

La charge fait la différence

L'étude a montré que la différence principale résidait dans la charge électrique des deux facteurs de transcription. Sox2 possède une région chargée positivement à côté de son domaine de liaison à l'ADN, tandis que Sox17 possède une région chargée plus négativement. Cette subtile différence détermine la manière dont chaque protéine recherche ses cibles dans l’ADN.

Plus précisément, Sox2 se déplace plus lentement le long du brin que Sox17, mais reconnais plus efficacement ses sites cibles pendant ce processus de glissement, ce qui améliore l'efficacité globale de la recherche. Cet effet est amplifié à l'intérieur des cellules, où l'ADN est enroulé autour de protéens appelées histones, le tout formant des « nucléosomes ».

Les charges positives de Sox2 augmentent ses interactions non-spécifiques avec les nucléosomes, l'aidant à se lier à la chromatine compacte et à y rester plus longtemps, renforçant ainsi son activité de facteur pionnier.

Pour confirmer cela, les cellules exprimant Sox2 ont montré une plus grande ouverture locale de la chromatine au niveau de ses sites de liaison que les cellules exprimant une version modifiée avec une charge positive réduite.

Implications : du développement à la maladie

La régulation génétique est à la base du développement des embryons, de la réparation des tissus et de nombreuses maladies. L'étude montre que le contrôle des gènes ne repose pas uniquement sur les séquences d'ADN ou la forme des protéines. Des propriétés physiques simples, telles que la charge électrique dans les régions protéiques flexibles, jouent un rôle décisif.

La compréhension de ces principes aide à expliquer pourquoi certains facteurs de transcription peuvent déverrouiller des gènes étroitement compactés alors que d'autres ne le peuvent pas. À long terme, ces connaissances pourraient éclairer les efforts visant à reprogrammer les cellules, à améliorer les technologies des cellules souches ou à interpréter la manière dont les mutations modifient la régulation génétique dans les maladies.