Les chromatosomes s’organisent en structures de plus en plus complexes, boucles chromatiniennes, domaines d’interaction et compartiments nucléaires, constituant l’architecture tridimensionnelle du génome en interphase.
Organisation du polymère chromatinien
La chromatine ne constitue pas une structure régulière et répétitive in vivo, mais un polymère nucléosomique dynamique organisé en un continuum d’états allant de régions peu compactées à des domaines localement condensés dépendants du contexte cellulaire.
1. Cette organisation polymérique repose sur une succession de nucléosomes reliés par de l’ADN de liaison, dont la flexibilité et la longueur conditionnent les interactions locales entre nucléosomes.
Les nucléosomes peuvent ainsi adopter des arrangements multiples, incluant des états plus ouverts ou plus compactés, sans qu’il existe une structure intermédiaire unique et stable.
2. Les interactions entre nucléosomes, transitoires et modulables, permettant une organisation flexible de la chromatine, sont assurées par :
des interactions électrostatiques entre l’ADN et les histones,
a. Elles sont constituées, dans les modèles classiques basés sur la fibre de 30 nm, de domaines en boucle d’environ 300 à 600 nucléosomes, soit 50 à 100 kb, i.e. 1 kb correspondant à 1000 paires de bases (pb)
Mécanisme de formation de la boucle chromatinienne
(Figure : vetopsy.fr d'après Pongubala et Murre)
Ces boucles correspondent, dans ces modèles, le plus souvent aux unités fonctionnelles de la chromatine, contenant des gènes ou des régions régulatrices coordonnées.
b. Ces boucles ont été décrites comme ancrées à des protéines d’échafaudage de la matrice nucléaire via des régions spécifiques appelées SMAR (scaffold/matrix associated regions) ou NMAR (nuclear matrix associated regions), modèle aujourd’hui discuté et en grande partie remplacé par des mécanismes impliquant le CTCF et la cohésine.
c. Ces domaines restreignent localement l’accessibilité de l’ADN et correspondent à des régions dynamiques d’interactions chromatiniennes impliquant des mécanismes de formation et d’extrusion de boucles.
Remarque : un chromosome contiendrait environ 2 600 domaines en boucle, mais ce nombre de domaines en boucle varie selon le type cellulaire et les conditions expérimentales.
2. Les boucles II sont décrites, dans les modèles hiérarchiques classiques, comme résultant du regroupement de boucles I pour former des structures de plus grande taille de 250 nm de large et 700 nm de diamètre.
Ces structures sont aujourd’hui remplacées par des descriptions basées sur les domaines d’interaction (TAD) et l’organisation tridimensionnelle du génome.
Domaines d’interaction chromatinienne
Les domaines d’interaction chromatinienne correspondent à des régions du génome dans lesquelles les segments d’ADN interagissent préférentiellement entre eux, formant des unités structurales et fonctionnelles de l’organisation tridimensionnelle de la chromatine.
1. Il sont composés d'environ 100 kb à 1 Mb et forment des structures auto-associatives qui contribuent à la régulation génomique spatiale.
Ils regroupent des gènes et leurs régulateurs, i.e. enhancers (amplificateurs) et silencers (inactivateurs).
Leur positionnement nucléaire est variable et dépend du contexte chromatinien, notamment de leur association ou non avec des domaines périphériques comme les LAD.
Organisation de la chromatine et TAD
(Figure : vetopsy.fr d'après Matharu et Ahituv)
3. Ces TAD sont maintenues par des complexes protéiques comme CTCF et la cohésine, qui participent à la formation et à la stabilisation des boucles chromatiniennes via des mécanismes d’extrusion de l’ADN.
Frontières des TAD et rôle de CTCF et de la cohésine
CTCF n’est pas un composant structural du chromosome au sens classique, mais agit en coopération avec la cohésine pour délimiter les domaines fonctionnels de type TAD et stabiliser les boucles chromatiniennes (The structural basis for cohesin-CTCF anchored loops 2020).
Remarque : chez les vertébrés, de nombreux insulators sont associés à CTCF et à la cohésine, qui peuvent exercer une activité de barrière limitant la propagation de domaines chromatiniens répressifs ainsi qu’une activité d’isolateur (enhancer blocking) contrôlant certaines interactions entre enhancers et promoteurs.
La cohésine se charge sur l’ADN et commence à extruder une boucle en transloquant l’ADN à travers son anneau.
Au fur et à mesure du déplacement de la cohésine le long de la fibre chromatinienne, l’ADN est tiré vers l’intérieur de l’anneau, ce qui agrandit la boucle chromatinienne.
Lorsque la cohésine rencontre un site de liaison de CTCF orienté vers la boucle, sa progression est bloquée.
La rencontre de deux sites de CTCF orientés de manière convergente (face à face) stabilise alors la boucle formée et fixe les limites du TAD, empêchant les interactions entre régions situées de part et d’autre de ces frontières.
Organisation nucléaire périphérique
Une fraction du génome est organisée à la périphérie du noyau par son interaction avec la lamina nucléaire, formant des domaines spécifiques appelés LAD et, plus largement, une chromatine périphérique majoritairement associée à des états transcriptionnels réprimés.
LAD (Lamina-Associated Domains) et chromatine périphérique
Les LAD sont composés d'environ 0,1 à 10 Mb et contribuent à l’ancrage d’une fraction du génome à l'enveloppe nucléaire, sans constituer un mécanisme actif de séquestration.
Elles peuvent comprendre plusieurs TAD ou des portions de TAD et d’autres domaines chromatiniens définis par l’organisation tridimensionnelle du génome.
Contacts génomiques avec le nucléole
(Figure : vetopsy.fr d'après Gupta et Santoro)
Les LAD sont généralement associés au compartiment B du génome défini par les analyses Hi-C, correspondant à des régions chromatiniennes globalement inactives et enrichies en hétérochromatine, bien que cette association puisse varier selon le type cellulaire et l’état fonctionnel du génome.
2. Les LAD sont majoritairement constitués de chromatine transcriptionnellement silencieuse formant :
des LAD facultatifs (fLAD), dépendants du type cellulaire ou de l’état de différenciation, peuvent également être enrichis en H3K27me3.
Les frontières des LAD peuvent présenter des sites de liaison pour des facteurs architecturaux comme CTCF, contribuant à l’organisation locale de la chromatine et à la délimitation de domaines d’interaction.
Remarque : certaines de ces régions peuvent également s’associer au nucléole et former des NAD (Nucleolus-Associated Domains), indiquant que ces domaines hétérochromatiniens peuvent se localiser soit à la périphérie nucléaire, soit à la périphérie du nucléole.
Chromatine périphérique
1. La chromatine périphérique représente l’ensemble des régions chromatiniennes localisées à proximité de la lamina nucléaire en interphase et associées à l'enveloppe nucléaire, principalement constituée de domaines transcriptionnellement peu actifs enrichis en hétérochromatine.
a. Une partie de cette chromatine périphérique correspond aux LAD.
b. Toute la chromatine périphérique n’est cependant pas strictement définie comme LAD.
Certaines régions peuvent être localisées transitoirement à la périphérie nucléaire sans interaction stable avec la lamina.
D’autres correspondent à des formes d’hétérochromatine enrichies en H3K9me3 et associées à la protéine HP1, dont l’organisation résulte de mécanismes d’auto-association de l’hétérochromatine plutôt que d’un ancrage direct à la lamina nucléaire (propagation de l’hétérochromatine).
2. Tous les LAD appartiennent à la chromatine périphérique, mais l’ensemble de la chromatine périphérique ne correspond pas nécessairement à des LAD strictement définis.
Compartiments fonctionnels A et B du génome
L’organisation tridimensionnelle du génome, révélée par les analyses Hi-C, distingue deux grands compartiments appelés A et B qui présentent des relations étroites avec l’organisation nucléaire et notamment avec les domaines associés à la lamina nucléaire.
Hiérarchie de l’organisation de la chromatine révélée par les analyses Hi-C
(Figure : vetopsy.fr d'après Fritz et coll)
1. Le compartiment A regroupe majoritairement des régions transcriptionnellement actives et peu compactées, généralement associées à l'euchromatine.
2. Le compartiment B rassemble des régions plus condensées et réprimées qui cporrespondent le plus souvent à l'hétérochromatine.
Une grande partie du compartiment B correspond à des régions du génome localisées à la périphérie du noyau et associées à la lamina nucléaire, formant les LAD (Lamina-Associated Domains).
Toutefois, certaines régions du compartiment B ne sont pas directement associées à la lamina nucléaire, tandis que certaines régions du compartiment A peuvent transitoirement interagir avec la périphérie nucléaire selon le type cellulaire ou l’état fonctionnel du génome.
Ces compartiments reflètent l’organisation spatiale globale des chromosomes alors que les notions d’euchromatine et d’hétérochromatine correspodent état fonctionnel de la chromatine.
Ces territoires correspondent à des régions du noyau dans lesquelles la majorité des interactions chromatiniennes se produisent entre segments appartenant au même chromosome plutôt qu’entre chromosomes différents.
Cette organisation limite l’entrelacement des chromosomes et contribue à la stabilité structurale du génome.
Territoires chromatiniens (détails)
(Figure : vetopsy.fr d'après Boltzer et coll)
a. Des contacts interchromosomiques peuvent se produire à leurs interfaces, notamment dans des régions où des gènes appartenant à différents chromosomes sont co-régulés.
b. L’organisation spatiale des territoires dépend de plusieurs paramètres, notamment :
2. La position des territoires chromosomiques dans le noyau n’est pas aléatoire.
Les chromosomes riches en gènes sont généralement localisés vers l’intérieur du noyau.
Les chromosomes pauvres en gènes sont plus fréquemment situés vers la périphérie nucléaire, souvent en association avec des régions de chromatine répressive ou avec la lamina nucléaire.
Conclusion sur la hiérarchie de l’organisation tridimensionnelle du génome
1. L’organisation tridimensionnelle du génome repose sur une hiérarchie de niveaux structuraux emboîtés.
À l’échelle du noyau, chaque chromosome occupe enfin un territoire chromosomique distinct, constituant le niveau le plus global de l’organisation spatiale du génome.
Ces structures hautement condensées, d’environ 1 400 nm de diamètre, représentent l’état de compaction maximale du génome et assurent la ségrégation correcte des chromatides lors de la division cellulaire.
Organisation de la chromatine d'ordre supérieur et architecture nucléaire fonctionnelle
(Figure : vetopsy.fr d'après Fritz et coll)
code des histones), 
