Une approche quantitative de la microscopie en molécule unique dans le noyau des cellules

Le noyau cellulaire est le siège de réactions chimiques dont le but est l’expression de gènes, la duplication du génome et du maintien et l’intégrité de l’information génétique. Ces réactions sont régulées au cours du cycle cellulaire ou en réponse à un stress. Parmi elles, la transcription permet qu’une séquence d’ADN soit reproduite sous forme d’ARN messager. La transcription est un exemple frappant de processus fondamental pour la cellule impliquant parfois un nombre très faible de molécules. En effet, il n’y a souvent dans un même génome que quelques copies d’un même gène. Le but de cette thèse est d’imager les processus nucléaires dans des cellules humaines à l’échelle de la molécule unique et d’en extraire les grandeurs caractéristiques. Depuis les années 90, des inventeurs de génie ont développé des méthodes simples à partir de microscopes inversés ordinaires pour observer des molécules individuelles jusque dans le noyau des cellules. Nous avons utilisé ces méthodes pour suivre des facteurs de transcription qui régulent la transcription d’un gène. Nos mesures montrent que, bien que hiératique, l’exploration du noyau par les facteurs de transcriptions est régulée par leurs propriétés chimiques. L’agencement des composants du noyau guide les facteurs de transcription dans la recherche d’un gène. Comme exemple de cet agencement, nous nous sommes ensuite intéressés à l’organisation de l’ADN dans le noyau pour montrer qu’elle présentait les caractéristiques d’une structure auto-organisée, une structure fractale. Cette structure change en réponse aux aléas de la vie de la cellule. Dans une dernière étude, nous avons suivi un locus dans le noyau d’une levure. La structure du noyau, qui est révélée par notre méthode, contraint la diffusion du locus à un régime de reptation. Tous ces résultats montrent combien la structure du noyau et les réactions chimiques qui y ont lieu sont interdépendantes. Cette thèse a également permis le développement de méthodes de quantification précises des réactions cellulaires à l’échelle de la molécule unique.The cell nucleus is a chemical reactor. Nuclear components interact with each other to express genes, duplicate the chromosomes for cell division, and protect DNA from alteration. These reactions are regulated along the cell cycle and in response to stress. One of the fundamental nuclear processes, transcription, enables the production of a messenger RNA from a template DNA sequence. While mandatory for the cell, transcription nevertheless may involve a very small number of molecules. Indeed, a single gene would have only few copies in the genome. During my PhD, I studied nuclear processes in human cells nuclei at the single molecule level with novel imaging techniques. I developed new statistical tools to quantify nuclear components movement that revealed a dynamic nuclear architecture. Since the 90s, simple methods have been developed for the observation of single molecules in the cell. These experiments can be conducted in an ordinary inverted microscope. We used these methods to monitor nuclear molecules called transcription factors (TF) that regulate transcription. From TF dynamics, we concluded that nuclear exploration by transcription factors is regulated by their chemical interactions with partners. The organization of the components of the nucleus guide transcription factors in their search of a gene. As an example of this organization, we then studied chromatin, the de-condensed form of nuclear DNA, proving that it displays the characteristics of a self-organized fractal structure. This structure changes in response to cellular fate and stress. In yeast, we showed that the interminglement of chromatin constrained DNA locus movement in a reptation regime. All these results show the interdependence of the structure of the nucleus and of its chemical reactions. With combination of realistic modeling and high resolution microscopy, we have enlightened the specificity of the nucleus as a chemical reactor. This thesis has also enabled the development of accurate methods for the statistical analysis of single molecule data