Structural study of DNA sequences related to the nucleosome preferential positioning

par Xiaoqian Xu

Thèse de doctorat en Sciences de la vie et de la santé

Sous la direction de Olivier Mauffret et de Yunlong Zhao.

Le jury était composé de Claudine Mayer, Pascale Lesage.

Les rapporteurs étaient Édith Hantz, Cédric Vaillant.

  • Titre traduit

    Etudes structurales et dynamiques de séquences d'ADN impliquées dans le positionnement préférentiel du nucléosome


  • Résumé

    Ces dernières années ont vu se multiplier les études portant sur le positionnment du nucléosome. Ce phénomène est en effet essentiel pour comprendre correctement les processus liés à l'expression génique. Ces travaux soulignent notamment la multiplicité des facteurs qui interviennent dans le positionnement en vivo, toutefois le rôle de la séquence d'ADN elle même est bien reconnu que ce soit sous formes de séquences préférées ou "excluantes". Afin d'identifier les propriétés structurales et dynamiques des séquences qui possèdent une forte capacité à positionner le nucléosome, nous avons procédé à une série d'études structurales sur les oligomères d'ADN libres correspondant à la séquence de l'une des plus connues d'entre elles, la séquence 601. Nous nous sommes plus particulièrement intéressés à une séquence de 39 paires de bases correspondant à la moitié d'un tour complet autour du cœur d'histone. L'utilisation des méthodes de RMN permet de déterminer les propriétés d'oligomères en solution. Néanmoins la difficulté d'attribuer les résonances phosphore sur des séquences oligonucléotides longues nous a conduit à diviser la séquence d'intérêt en quatre parties égales (12bp) sur lesquelles les attribution penvent être réalisées. L'analyse des 72 déplacements chimiques du phosphore (δ-P) et des 249 distances séquentielles inter-protons recueillies sur les oligomères montre que les mouvements de l'ADN à l'échelle de temps de la nanosecondes, des groupements phosphates, des sucres et des bases sont fortement couplés et directement reliés à la séquence dinucléotidique. Les données expérimentales recueillies dans ce travail sont en accord avec les prédictions de l'échelle TRX (Twist,Roll,X-disp) qui quantifie les mouvement à l'échelle de la nanoseconde de l'ADN-B. L'annotation de l'échelle TRX de la séquence 601 montre une alternance périodique de régions rigides et flexibles le long de la séquence, cette périodicité est de 10 pairs de bases. De façon frappante, cette alternance se superpose aux variations sinusoïdales des largeurs des petits sillons observées sur les structures cristallographiques des nucléosomes. L'élément TTAAA, a fait l'objet d'une attention particulière dans ce travail. Il est soupçonné d'être crucial dans le contexte de la formation des nucléosomes, cette séquence présente en effet quelques particularités remarquables, tels que la présence de plusieurs enchaînements dinucléotidiques riche en BI (dP décalé vers les hauts champs et distances inter-nucléotidiques courtes)- ceux-ci se trouvent associés à un petit sillon très étroit. Les résultats relatifs aux couplages dipolaires résiduels (RDC), qui reflètent l'angle de déviation entre le vecteur carbone-proton et l'axe l'ADN ont montré que les différences entre les couplages dipolaires résiduels de deux résidus successifs Δ-(RDC), sont également corrélées aux δ-P. Ce résultat confirme définitivement que la structure et la dynamique des groupes phosphates, les positions relatives des bases et les conformations sucres de l'ADN-B sont fortement couplés. En outre, nos résultats permettent de commencer à déchiffrer le processus influençant la formation des nucléosomes, ils montrent que l'échelle TRX est un outil puissant de prédiction des conformations et la dynamique des ADN.


  • Résumé

    Nowadays, nucleosome positioning is being studied intensively due to the critical role in the regulation and transcription by modulating the accessibility of specific targeted sites for proteins in eukaryotic cell. As demonstrated by recent studies that positioning in vivo could be modulated by various factors, among which the role of DNA sequence is repeatedly underlined due to the form of preferred or excluding sequences. In an attempt to identify the structural and dynamic properties of sequences exhibiting strong ability to precisely position the nucleosome, we carried out a series of structural studies on free DNA oligomers corresponding to the core of this sequence. The synthetic 601 sequence was selected as a proper candidate for the experiment and the oligomers cover 39bp of the 5’ half of the sequence. The utilization of NMR technology allows the observation of the oligomer properties in solution. However, it’s difficult to assign phosphorus resonances signals to long DNA oligonucleotides, which could be realized to divide the sequence of interested part into four equivalents (12 bp). Analysis of a large set of NMR data on the four oligomers (72 dP (phosphorus chemical shift) and 249 sequential inter-proton distances) indicate the strong coupling between nanoseconde timescale motions of phosphate group and those involving sugar and bases. In the four dodecamers, the nanosecond timescale dynamics is dominated by the dinucleotide sequence, modulated at the tetranucleotide level. Importantly, the experimental data collected here validate our previously published NMR-based TRX scale that quantifies the nanosecond timescale intrinsic malleability of the ten complementary dinucleotides in B-DNA. The TRX annotation of the whole 601 sequence shows a 10 base-pair periodic alternation of stiff and flexible regions that can be exactly superimposed to the sinusoidal variations of minor groove width observed on the crystallographic structures of nucleosome. The TTAAA element was the subject of particular attention in this work. It is suspected to be crucial in the nucleosome formation context, exhibiting remarkable features, such as the constitution of a succession of BI-profiles (high-shifted dP and short internucleotide distances) associated to a narrow minor groove. Furthermore, the results related to the residual dipolar couplings (RDC), which reflect the deflection angle between carbon-proton vectors and the long axis of DNA have shown that the differences between the residual dipolar couplings of two successive residues, Δ-(RDC), are also correlated with -P. This result definitively confirms that the structure and the dynamic of phosphate group, bases and sugars in B-DNA are highly coupled. In addition, our results start to decipher the indirect readout process underlying the nucleosome formation. Further, they establish that the TRX scale is a powerful, predictive tool for better understanding DNA-protein interactions, based on flexibility criteria. It represents a new step towards a simplified determination of properties of DNA by NMR.


Le texte intégral de cette thèse n'est pas accessible en ligne.
Il est disponible au sein de la bibliothèque de l'établissement de soutenance.

Consulter en bibliothèque

La version de soutenance existe

Informations

  • Détails : 1 vol. (XII-180 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 145-160

Où se trouve cette thèse\u00a0?

  • Bibliothèque : École normale supérieure. Bibliothèque.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : THE XU (Salle de réf.)
  • Bibliothèque : École normale supérieure. Bibliothèque.
Voir dans le Sudoc, catalogue collectif des bibliothèques de l'enseignement supérieur et de la recherche.