Forces and torques in the nucleus: chromatin under mechanical constraints

摘要

Genomic DNA in eukaryotic cells is organized in discrete chromosome territories, each consisting of a single huge hierarchically supercoiled nucleosomal fiber. Through dynamic changes in structure, resulting from chemical modifications and mechanical constraints imposed by numerous factors in vivo, chromatin plays a critical role in the regulation of DNA metabolism processes, including replication and transcription. Indeed, DNA-translocating enzymes, such as polymerases, produce physical constraints that chromatin has to overcome. Recent techniques, in particular single-molecule micromanipulation, have allowed precise quantization of forces and torques at work in the nucleus and have greatly improved our understanding of chromatin behavior under physiological mechanical constraints. These new biophysical approaches should enable us to build realistic mechanistic models and progressively specify the ad hoc and hazy “because of chromatin structure” argument often used to interpret experimental studies of biological function in the context of chromatin.Dans les cellules eucaryotes, l'ADN génomique est organisé en territoires chromosomiques distincts, chacun étant composé d'une longue chaîne de nucléosomes surenroulée hiérarchiquement. Par sa capacité à changer dynamiquement de structure sous l'influence des modifications chimiques ou des contraintes mécaniques imposées par de nombreux facteurs in vivo, la chromatine joue un rôle crucial dans la régulation du métabolisme de l'ADN, notamment lors de la réplication et de la transcription. En effet, des enzymes comme les polymérases produisent, en avançant le long de l'ADN, des contraintes physiques auxquelles la chromatine doit faire face. Des techniques récentes, en particulier reposant sur la micromanipulation de molécules uniques, ont permis de mesurer précisément les forces et couples en jeu dans le noyau et ont largement amélioré notre connaissance du comportement de la chromatine soumise à ces contraintes mécaniques physiologiques. Ces nouvelles approches biophysiques devraient nous permettre de construire des modèles mécanistiques réalistes et ainsi de préciser l'argument ad hoc et flou, « à cause de la structure de la chromatine », souvent invoqué pour interpréter les études expérimentales de fonctions biologiques dans un contexte chromatinien.