Conformation, interactions et organisation des particules coeur de nucléosome

Dans les cellules des organismes eucaryotes, l'ADN est associé à diverses protéines pour former la chromatine qui est condensée dans le volume du noyau cellulaire. L'association ADN-histones forme alors une structure périodique dont l'unité répétitive est le nucléosome, mais dont les niveaux d'organisation supérieurs sont toujours en discussion. Afin de comprendre cette organisation, nous avons étudié in vitro le comportement des particules cœur de nucléosome. Dans des conditions de concentrations (en particules et en sel monovalent), recouvrant celles du milieu cellulaire, les particules forment différentes phases ordonnées dont la nature dépend de la concentration ionique de la solution. Nous avons montré, par diffraction des rayons X, qu'à faible concentration saline les particules s'organisent en une phase lamellaire de bicouches et qu'à fort sel, elles forment une phase hexagonale ou quasi-hexagonale organisée à deux ou trois dimensions. Afin de comprendre l'origine du polymorphisme observé en phase dense, nous avons réalisé des études de diffusion des rayons X et des expériences d'osmométrie en solution diluée. Nous avons mis en évidence de très faibles changements de la conformation des particules cœur de nucléosome, et plus précisément une extension des queues des histones lorsque la concentration saline de la solution augmente de 10 à 200 mM. Cette augmentation de la concentration ionique modifie également les interactions entre particules. Nous avons montré que ces deux phénomènes (extension des queues et changement des interactions) sont couplés. Ces changements conformationnels et les variations des interactions pourraient expliquer le polymorphisme structural observé en milieu dense. Cependant, cette comparaison nécessite de prendre en compte l'évolution des concentrations ioniques en fonction de la concentration en particules, et les phénomènes d'encombrement stérique.In all eucaryotic cells, DNA is associated with different proteins to form the chromatin which is condensed in cell nucleus. Its organisation is still under discussion. To adress this question, we studied in vitro the behaviour of solutions of nucleosome core particles, the structural units of chromatin. In conditions similar to those found in the cell nucleus (concentration of particles and concentration of monovalent salt), nucleosome core particles form different ordered phases which nature highly depends on the ionic conditions. Using X-ray diffraction, we showed that at low salt concentration, particles form a lamellar phase of bilayers. At high salt concentration, hexagonal or quasi-hexagonal phases, organised at two or three dimensions are observed. In order to understand the origin of the polymorphism of the dense phases, we performed small angle X-ray scattering and osmometry measurements in dilute solution. We pointed out small conformational changes in the nucleosome core particle, and more precisely an histone tails extension when the salt concentration increases from 10 to 200 mM. This increase of the salt concentration also modifes the interactions between particles. We showed that these two phenomena (tails extension and variation of interactions) are coupled. These salt-induced conformational changes and variations of interactions could explain the polymorphism of organisation in concentrated solutions. Such comparisons require to carefully analyse how the salt concentration varies when the particles concentrations is increased.ORSAY-PARIS 11-BU Sciences (914712101) / SudocSudocFranceF

Compréhension des mécanismes électrostatiques impliqués dans la plasticité structurale de la chromatine eucaryote

Nous avons montré que les queues d'histones H3 et H4 sont nécessaires pour que des interactions attractives s'établissent entre NCPs, en présence d'ions monovalents. Pour cela, nous avons comparé des NCPs recombinantes intactes et gH3gH4 (sans queues H3 et H4) par SAXS. Les données expérimentales ont été comparées à des simulations établies à partir d'un modèle simple de potentiel d'interaction de paires. Les interactions entre NCPs gH3gH4 sont décrites par un potentiel de type répulsif uniquement. Par contre, l'introduction d'une composante attractive dans le potentiel est indispensable pour mieux décrire les données expérimentales obtenues avec des NCPs intactes aux concentrations salines les plus élevées. Par ailleurs nous avons montré que les NCPs gH3gH4 présentent une conformation légèrement moins compacte que celle de NCPs intactes. Nous avons mis au point des conditions d'imagerie optimales par cryomicroscopie électronique dans le but d'analyser finement ces différences conformationnelles par reconstruction d'image à trois dimensions. Afin de mimer les conditions d'encombrement et de compaction de la chromatine dans la cellule, nous avons concentré artificiellement des solutions de NCPs par ajout de cations multivalents ou par stress osmotique. L'effet des ions multivalents dans les interactions entre NCPs a été examiné. Plus particulièrement, nous avons étudié le rôle des ions magnésium2+ et spermidine3+ dans la précipitation des NCPs. Des diagrammes de phase on été établi afin de déterminer précisément les conditions de précipitation des NCPs en présence de Mg2+ et Spd3+. Ces diagrammes ont été comparés entre eux et confrontés aux diagrammes théoriques. L'organisation des NCPs au sein des domaines biphasique a été examiné par diffraction des rayons X, microscopies optique et électronique. Nous avons montré que la structure des phases denses obtenues dépend des conditions de précipitation.CHATENAY M.-PARIS 11-BU Pharma. (920192101) / SudocSudocFranceF

DNA condensation by a basic protein, the salmon protamin

In vivo les protamines condensent l'ADN dans la tête des spermatozoïdes, mais le mécanisme impliqué n'est pas complètement compris. Nous avons étudié la condensation de l'ADN par des protamines de saumon in vitro en utilisant différentes approches expérimentales. Les transitions d'états, la solubilité de ces complexes et la densité des précipités sont trouvés dépendants des concentrations ioniques.In vivo protamine condense DNA in the sperm head but the mechanism of this process is not completely understood. We examine the efficiency of salmon protamine to condense DNA in vitro using different experimental approaches. The condensation transition, the solubility of these complexes and the density of the condensate are found sensitive to the ionic concentrations.CHATENAY M.-PARIS 11-BU Pharma. (920192101) / SudocSudocFranceF

X-Ray Diffraction Characterization of the Dense Phases Formed by Nucleosome Core Particles

Multiple dense phases of nucleosome core particles (NCPs) were formed in controlled ionic conditions (15–160 mM monovalent salt, no divalent ions), under osmotic pressures ranging from 4.7 × 10(5) to 2.35 × 10(6) Pa. We present here the x-ray diffraction analysis of these phases. In the lamello-columnar phase obtained at low salt concentration (<25 mM), NCPs stack into columns that align to form bilayers, kept separated from one another by a layer of solvent. NCPs form a monoclinic lattice in the plane of the bilayer. For high salt concentration (>50 mM), NCPs order into either a two-dimensional columnar hexagonal phase or into three-dimensional orthorhombic (quasi-hexagonal) crystals. The lamellar and hexagonal (or quasi-hexagonal) organizations coexist in the intermediate salt range; their demixing requires a long time. For an applied pressure P = 4.7 10(5) Pa, the calculated NCPs concentration ranges from ∼280 to 320 mg/ml in the lamello-columnar phase to 495 to 585 mg/ml in the three-dimensional orthorhombic phase. These concentrations cover the concentration of the living cell

Special issue on physical virology

Compared to organisms such as bacteria and eukaryotic cells, viruses have such a low level of complexity that they were at first regarded as being proto-organisms, at the borderline between living and inanimate matter. This view was gradually superseded by the recognition that viruses are highly efficient organisms which have evolved in order to hijack the "active" biological machinery of the infected cells. Recent studies revealed how physical mechanisms are used by the viruses for guiding all salient steps of their "life cycle" This fact has also strongly motivated the recent upsurge of theoretical and experimental studies addressing the molecular basis of the key problems in virology. Specifically, the topics that are presently investigated most intensively include the following: the self-assembly and maturation of viral capsids, the functioning of the molecular motors that loads the viral genome inside preformed capsids, the conformational arrangement of the DNA or RNA inside capsids, the physical forces at play during the ejection of the viral DNA into the host cell, and the electrostatic interactions between the nucleic acids and coat proteins and virus-based nano-composites. The abovementioned efforts in characterizing the key molecular aspects of single viral particles are complemented by the very active research in the modeling of viral epidemics where, again, physics-based statistical mechanical approaches are widely used. A "physical virology" topical conference held at the ICTP in 2012 provided a timely state-of-the art perspective on the subject that is rapidly progressing because of the ongoing advancements in experimental techniques (cryo-EM imaging and single-molecule manipulation) and theoretical ones (large-scale simulations). It came at a very timely junction as the first Gordon conference on physical virology was held in 2009 in Galveston, Texas, and the latest one in Ventura, California, in 2013, which could be taken as the defining events in the establishment of the whole field of physical virology. This special issue of the Journal of Biological Physics is entirely dedicated to physical virology and aims to present a broad overview of the current state of the art in various subtopics of physical virology and stimulate additional activity in this rapidly developing field

Nucleosome conformational variability in solution and in interphase nuclei evidenced by cryo-electron microscopy of vitreous sections

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