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H2020

VCSD — Résultat en bref

Project ID: 656873
Financé au titre de: H2020-EU.1.3.2.
Pays: Espagne
Domaine: Recherche fondamentale

La chromatine vue au niveau moléculaire

La microscopie à fluorescence est un outil de visualisation in situ essentiel pour la biologie cellulaire, mais sa résolution spatiale est habituellement limitée par la diffraction de la lumière. De nouvelles avancées dans la recherche européenne ont permis de contourner cet écueil et de superposer des données à l’échelle nanométrique en deux couleurs et en 3D grâce à la microscopie à fluorescence à super-résolution (SRFM).
La chromatine vue au niveau moléculaire
La chromatine est constituée d’ADN et de protéines structurales empaquetés dans le noyau. La structure de la chromatine est extrêmement importante car son réassemblage peut avoir un effet activateur ou répresseur sur les gènes. Les mécanismes de contrôle des gènes sont la clé du développement des cellules souches et permettent qu’une cellule pluripotente se différencie en n’importe quel type de cellule du corps. Pour les thérapies par cellules souches, il est donc essentiel que les chercheurs parviennent à contrôler ces cellules de manière précise. L’épigénétique s’avère tout aussi importante, la transcription d’un gène pouvant être modifiée par l’environnement chromatinien.

Des recherches récentes ont montré que l’organisation spatiale de la chromatine était un facteur clé de régulation de l’expression et du silençage des gènes. La structure de la chromatine reste toutefois mal connue en raison des échelles de longueur nanométriques qui entrent en jeu et des limitations liées aux méthodes existantes, en termes de résolution spatiale, de faible rapport signal/bruit et de moyennage d’ensemble.

À l’extérieur avec la microscopie à fluorescence classique, à l’intérieur avec la SRFM

Le chercheur principal du projet VCSD, (Visualising chromatin structure and dynamics) le Dr Jason Otterstrom, a utilisé la microscopie à fluorescence à super-résolution (SRFM) pour dépasser ces limites et a obtenu des financements grâce à une bourse Marie Curie. Possédant une vaste expérience en microscopie à fluorescence appliquée aux systèmes biologiques, il a travaillé dans deux laboratoires de l’Institut des sciences photoniques de Barcelone, d’abord avec Melike Lakadamyali puis avec le Dr Loza-Alvarez, tous deux experts en SRFM. La technique utilisée identifie la position 3D de colorants fluorescents simples et reconstitue une image en se servant de ces positions, un peu à la manière des peintres pointillistes du XIXe siècle.

L’objectif ultime de VCSD consistait à établir un nouveau cadre de travail pour caractériser la structure de la chromatine. «Pour y parvenir, nous avons dû développer une méthodologie et un algorithme afin de pouvoir superposer des données de microscopie à super résolution en deux couleurs et en 3D», explique le Dr Otterstrom. À l’aide de l’algorithme, les données à super résolution ont permis de visualiser et de quantifier l’ADN en même temps que les histones à grande échelle lors de la restructuration de la chromatine. L’étape suivante consisterait à cibler des loci de gènes précis dans le noyau afin d’étudier l’organisation et la restructuration de la chromatine à l’échelle locale et la corrélation avec l’expression génétique.

À la recherche des colorants parfaits pour des images multicolores

L’utilisation de différents colorants pour faire de l’imagerie multicolore comportait son lot de défis. «J’ai découvert que, bien que certains colorants soient adaptés pour obtenir des images de certaines structures par SRFM basée sur la localisation d’une molécule unique, ils ne fonctionnent pas pour d’autres structures, comme les histones, que j’avais l’intention de visualiser», explique le Dr Otterstrom.

La réponse a consisté à procéder à une vaste recherche afin de trouver des colorants appropriés avec les conditions de tampon nécessaires. Finalement, une collaboration avec un autre doctorant a conduit à envisager l’idée d’utiliser une méthode à molécule unique orthogonale qui présentait des exigences différentes quant à la qualité du colorant. «J’ai dû ajuster mes schémas de flux de données pour regrouper les deux stratégies d’imagerie, mais cela a été un succès», déclare le Dr Otterstrom.

Des applications futures à titre personnel et bien au-delà

L’analyse des résultats de VCSD se poursuit, tout comme l’enregistrement des données. La méthodologie mise au point devrait être adoptée par les chercheurs dans les domaines de la biologie touchant aux cellules souches et à la chromatine, renforçant ainsi la réputation mondiale de l’Europe en matière d’innovation scientifique.

«La bourse Marie Curie m’a permis de continuer à travailler sur les applications de la quantification structurelle de la chromatine en tant que chercheur indépendant en biophysique et de trouver un emploi satisfaisant dans ce domaine», résume le Dr Otterstrom. Compte tenu de l’importance croissante des connaissances sur la structure de la chromatine à l’échelle nanométrique dans le domaine des applications relatives aux cellules souches et, plus généralement, de l’épigénétique, VCSD a constitué une solide base de connaissances dans une spécialité en pleine expansion dans le domaine des technologies biomédicales.

Mots-clés

VCSD, chromatine, microscopie à fluorescence à super-résolution (SRFM), cellule souche, histone, pluripotente, épigénétique, molécule unique orthogonale