Etude à l'échelle de la molécule unique des changements conformationnels de la molécule d'ADN : influence de la présence de défauts locaux présents sur l'ADN et de paramètres physico-chimiques de la solution environnante

Ions play an important role in many biological processes affecting the DNA molecule, both for binding activities of DNA-protein interaction, and the DNA packaging in viral capsids or in the cell nucleus. Proteins actions on DNA are also often associated to the double helix curvature, be it because of an intrinsic curved sequence, or of the ability of the proteins, to curve the sequence they are trying to bind. Being able to characterize and understand the effects on the DNA conformation of ions present in solution, DNA local curvature, and local denaturation bubble is essential and crucial for the thorough understanding of many biological processes. Many experimental, and theoretical studies have already been conducted to address these questions. However they remain highly debated. To answer then one must notably develop experimental approaches that minimize alteration of the conformation of the DNA molecule or the complex protein-DNA, as well as associated theoretical models that permit a precise analysis of experimental data as well as their physical understanding. The goal of this work is to develop and propose experimental and theoretical tools which would provide a physical description of the influence of DNA local defects on the DNA molecule as well as of physicochemical conditions of the DNA environmental solution. For this purpose, experimental data have been collected, at a single molecule level, using the High-Throughput Tethered Particle Motion" (HT-TPM) technique. TPM consists of recording the location of a particle grafted by one end of a single DNA molecule and immobilized, at the other end, to a glass surface. The use of a biochip that enables the parallelization of DNA/particle complexes and the ensuing high-throughput data acquisition permitted to obtain a large accumulation of individual statistics. A strong analysis procedure has been developed to extract and quantify the amplitude of motion of the valid DNA/particle complexes . Alongside that, simulations have been run, based on a mesoscopic statistical mechanics model in which the DNA molecule is related to a chain of monomers with varying radius and in which the amplitude of motion is governed by both the Brownian motion and by the interaction potential associated to stretching and bending energies of the polymer. A first study was conducted on the effect of the ionic strength induced by surrounding ions in solution on the DNA persistence length (Lp) which characterizes the DNA polymer rigidity. The extracted Lp values of HT-TPM measurement decrease from 55 to 30 nm when the ionic strength increases. A stronger decrease was observed in presence of divalent ions Mg2+ than with monovalent ions Na+. This quantification of Lp dependence, on a large and strongly prospected range of ionic strengthes, tends to validate the theoretical approach proposed in 2006 by Manning in presence of monovalent ions Na+. A second project allows us to develop a method of evaluation and quantification of local DNA bending angles, induced either by specific intrinsic sequence, or by the binding of proteins on DNA. Constructs made of 575 base-pair DNAs with in-phase assemblies of one to seven sequences CAAAAAACGG was used. A theoretical description of the polymer chain, named "kinked Worm-Like Chain" was proposed which leads to a simple formulation of the end-to-end distance of DNA molecules allowing to extract local bend angles from HT-TPM measurement. As a result, we find that the sequence CAAAAAACGG induces a bend angle of 19° ± 4° in agreement with other value from the literature. A third study concerning the influence of temperature-induced partial denaturation on the global apparent rigidity parameters of the polymer was conducted. Preliminary results are proposed.Les ions jouent un rôle majeur sur les processus biologiques affectant la molécule d'ADN que ce soit en termes d'activité de liaison de protéines à l'ADN ou d'encapsulation de l'ADN dans les capsides virales ou le noyau. L'activité de protéines sur l'ADN est, par ailleurs, fréquemment liée à une courbure locale de l'axe de la double hélice, que ce soit en raison d'une séquence intrinsèquement courbée, ou, via la capacité de protéines à courber la séquence sur laquelle elles se fixent. Être capable de caractériser et comprendre l'effet des ions présents en solution, de la courbure et de la dénaturation locale de la molécule d'ADN sur les conformations de cette dernière est donc crucial pour approfondir la compréhension de nombreux processus biologiques. Des travaux, tant expérimentaux que théoriques, ont déjà été menés sur ces questions mais celles-ci sont encore largement débattues. En effet, pour y répondre, doivent notamment être développées des méthodes expérimentales qui ne perturbent pas significativement la conformation de l'ADN ou le complexe ADN-protéine, ainsi que des modèles théoriques associés permettant une analyse précise des données expérimentales et leur compréhension physique. L'objectif de ce travail est de proposer des outils expérimentaux et théoriques permettant de décrire physiquement l'influence de défauts locaux présents sur la molécule d'ADN et de paramètres physico-chimiques de la solution environnante. A cette fin, des données expérimentales ont été acquises à l'échelle de la molécule unique grâce à la technique haut-débit de "Tethered Particle Motion" (HT-TPM). Le TPM consiste à enregistrer, au cours du temps, les positions d'une particule accrochée à l'extrémité d'une molécule d'ADN, immobilisée par son autre extrémité sur un support en verre. L'utilisation d'une biopuce permettant la parallélisation des complexes ADN/particule et l'acquisition "à haut débit" de données TPM a permis d'obtenir une grande accumulation de statistiques individuelles. Une procédure d'analyse efficace a été élaborée afin de déterminer les amplitudes du mouvement des assemblages ADN-particules valides. En parallèle, ont été effectuées des simulations basées sur un modèle de physique statistique mésoscopique dans lequel la molécule d'ADN est assimilée à une chaîne de billes de rayons variables dont les déplacements sont régis par la diffusion brownienne et une énergie potentielle d'interaction prenant en compte notamment l'énergie de courbure du polymère ADN. Une première étude a porté sur l'effet de la force ionique de la solution environnante sur la longueur de persistance Lp, qui traduit la rigidité du polymère d'ADN. Les valeurs de Lp extraites des données de HT-TPM ont fait apparaître une décroissance de la longueur de persistance de 55 à 30 nm, corrélée à l'augmentation de la force ionique, avec une décroissance plus forte observée pour les ions divalents Mg2+ que pour les ions monovalents Na+. Les valeurs de Lp déterminées sur une plage étendue de force ionique ont permis de valider l'approche théorique proposée par Manning en 2006 dans la cas Na+. Une deuxième étude a conduit à l'élaboration d'une méthode permettant de quantifier l'angle de courbure locale induite par une séquence spécifique ou la liaison d'une protéine sur la molécule d'ADN. L'échantillon modèle a été obtenu en insérant de une à sept séquences CAAAAAACGG en phase. Une description théorique de la chaîne d'ADN appelée "kinked Worm-Like Chain" a été proposée. Elle conduit à une formule simple de la distance bout-à-bout de l'ADN qui permet d'extraire la valeur de l'angle de courbure à partir des mesures de HT-TPM. Ainsi, il a pu être montré que la séquence CAAAAAACGG induit un angle de 19° ± 4° en accord avec les données de la littérature. Une troisième étude concernant la mesure de l'impact de la dénaturation partielle de l'ADN, induite par la température, sur sa rigidité apparente globale a été menée. Des résultats préliminaires sont proposés

Dependence of DNA persistence length on ionic strength of solutions with monovalent and divalent salts: a joint theory-experiment study

Using high-throughput Tethered Particle Motion single molecule experiments, the double-stranded DNA persistence length, $L_p$, is measured in solutions with Na$^+$ and Mg$^{2+}$ ions of various ionic strengths, $I$. Several theoretical equations for $L_p(I)$ are fitted to the experimental data, but no decisive theory is found which fits all the $L_p$ values for the two ion valencies. Properly extracted from the particle trajectory using simulations, $L_p$ varies from 30~nm to 55~nm, and is compared to previous experimental results. For the Na$^+$ only case, $L_p$ is an increasing concave function of $I^{-1}$, well fitted by Manning's electrostatic stretching approach, but not by classical Odjik-Skolnick-Fixman theories with or without counter-ion condensation. With added Mg$^{2+}$ ions, $L_p$ shows a marked decrease at low $I$, interpreted as an ion-ion correlation effect, with an almost linear law in $I^{-1}$, fitted by a proposed variational approach

Physical constraints in polymer modeling of chromatin associations with the nuclear periphery at kilobase scale

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TAD cliques predict key features of chromatin organization

Background Mechanisms underlying genome 3D organization and domain formation in the mammalian nucleus are not completely understood. Multiple processes such as transcriptional compartmentalization, DNA loop extrusion and interactions with the nuclear lamina dynamically act on chromatin at multiple levels. Here, we explore long-range interaction patterns between topologically associated domains (TADs) in several cell types. Results We find that TAD long-range interactions are connected to many key features of chromatin organization, including open and closed compartments, compaction and loop extrusion processes. Domains that form large TAD cliques tend to be repressive across cell types, when comparing gene expression, LINE/SINE repeat content and chromatin subcompartments. Further, TADs in large cliques are larger in genomic size, less dense and depleted of convergent CTCF motifs, in contrast to smaller and denser TADs formed by a loop extrusion process. Conclusions Our results shed light on the organizational principles that govern repressive and active domains in the human genome