Modélisation de chromosomes bactériens à plusieurs échelles

Supercoiled DNA often adopts tree-like double-folded branching configurations. In this context, We proposed a framework to generate expected bacterial chromosome structures at multiple scales.Stage I: A lattice model for the dynamics of randomly branching double-folded ring polymers.First, We studied an elastic lattice model for tightly double-folded ring polymers, which allows for the spontaneous creation and deletion of side branches coupled to a diffusive mass transport, which is local both in space and on the connectivity graph of the tree. Monte Carlo simulations were performed and studied systems belonging to three different universality classes: ideal double-folded rings without excluded volume interactions, self-avoiding double-folded rings, and double-folded rings in the melt state. The observed static properties are in good agreement with exact results, simulations, and predictions from Flory theory for randomly branching polymers. For example, in the melt state, rings adopt compact configurations and exhibit territorial behaviors. In particular, We show that the emergent dynamics are in excellent agreement with a recent scaling theory. We illustrated the qualitative differences with the familiar reptation dynamics of linear chains.Stage II: Coarse-grained models of supercoiled DNA at multiple scales.Second, We built a coarse-grained model of bacterial DNA, which is known to adopt tree-like plectonemic structures due to negative DNA supercoiling. To that end, starting from the first model, We included the possibility of generating long branches, with the average length becoming a free parameter of the model. Considering DNA concentration and cylindrical confinement similar to the in vivo situation, We adjusted this average length parameter to reproduce as well as possible contact properties between chromosomal loci as obtained from high-throughput chromosome conformation capture methods (Hi-C). Soft excluded-volume interactions were also included to deal with the models of the lowest resolutions.As a result, We obtained various coarse-grained models that are consistent with each other and allow capturing contact properties of multiple bacteria, from 10 kb to 1 Mb scale. In other words, we are able to rationalize from first principles contact properties between bacterial chromosomal loci as measured from high-throughput conformation capture (Hi-C) methods.References1. E. Ghobadpour, M. Kolb, M. R. Ejtehadi, and R. Everaers, “Monte Carlo simulation of a lattice model for the dynamics of randomly branching double-folded ring polymers,” Phys. Rev. E, vol. 104, p. 014501, Jul 2021.L'ADN superenroulé adopte souvent des configurations de ramification à double pli en forme d'arbre. Dans ce contexte, nous avons proposé un cadre pour générer les structures chromosomiques bactériennes attendues à plusieurs échelles.Étape I : Un modèle de réseau pour la dynamique des polymères à double anneau à ramification aléatoire.Tout d'abord, nous avons étudié un modèle de réseau élastique pour les polymères à anneaux étroitement doublement pliés, qui permet la création et la suppression spontanées de branches latérales couplées à un transport de masse diffusif, local à la fois dans l'espace et sur le graphe de connectivité de l'arbre. Des simulations de Monte Carlo ont été réalisées et ont étudié des systèmes appartenant à trois classes d'universalité différentes : les anneaux à double pli idéaux sans interactions volumiques exclues, les anneaux à double pli auto-évitants et les anneaux à double pli à l'état fondu. Les propriétés statiques observées sont en bon accord avec les résultats exacts, les simulations et les prédictions de la théorie de Flory pour les polymères à ramification aléatoire. Par exemple, à l'état fondu, les anneaux adoptent des configurations compactes et présentent des comportements territoriaux. En particulier, nous montrons que la dynamique émergente est en excellent accord avec une récente théorie de mise à l'échelle. Nous avons illustré les différences qualitatives avec la dynamique de reptation familière des chaînes linéaires.Étape II : Modèles à gros grains d'ADN superenroulé à plusieurs échelles.Deuxièmement, nous avons construit un modèle d'ADN bactérien à gros grains, connu pour adopter des structures plectonémiques arborescentes en raison du surenroulement négatif de l'ADN. Pour cela, à partir du premier modèle, nous avons inclus la possibilité de générer des branches longues, la longueur moyenne devenant un paramètre libre du modèle. Compte tenu de la concentration d'ADN et du confinement cylindrique similaire à la situation in vivo, nous avons ajusté ce paramètre de longueur moyenne pour reproduire au mieux les propriétés de contact possibles entre les loci chromosomiques obtenues à partir de méthodes de capture de conformation chromosomique à haut débit (Hi-C). Des interactions douces de volume exclu ont également été incluses pour traiter les modèles des résolutions les plus basses.En conséquence, nous avons obtenu divers modèles à gros grains qui sont cohérents les uns avec les autres et permettent de capturer les propriétés de contact de plusieurs bactéries, de 10 kb à 1 Mb. En d'autres termes, nous sommes en mesure de rationaliser à partir des premiers principes les propriétés de contact entre les locus chromosomiques bactériens, telles que mesurées à partir de méthodes de capture de conformation à haut débit (Hi-C)