1. Rouse model with transient intramolecular contacts on a timescale of seconds recapitulates folding and fluctuation of yeast chromosomes
- Author
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Kerstin Bystricky, Aurélien Bancaud, Renjie Wang, Jean-Marc Victor, Cédric Vaillant, Marius Socol, Pascal Carrivain, Daniel Jost, Olivier Gadal, Christophe Normand, Eric Le Cam, Vincent Dahirel, Institut de Recherche en Infectiologie de Montpellier (IRIM), Université de Montpellier (UM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Équipe Micro-Nanofluidique pour les sciences de la vie et de l’environnement (LAAS-MILE), Laboratoire d'analyse et d'architecture des systèmes (LAAS), Université Toulouse Capitole (UT Capitole), Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Institut National des Sciences Appliquées - Toulouse (INSA Toulouse), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Toulouse (UT)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Toulouse - Jean Jaurès (UT2J), Université de Toulouse (UT)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université de Toulouse (UT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP), Université de Toulouse (UT)-Université Toulouse Capitole (UT Capitole), Université de Toulouse (UT), Laboratoire de biologie moléculaire eucaryote (LBME), Université Toulouse III - 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Institut national d'enseignement supérieur et de recherche en alimentation, santé animale, sciences agronomiques et de l'environnement (VAS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Grenoble Alpes [2016-2019] (UGA [2016-2019]), Laboratoire de Physique de l'ENS Lyon (Phys-ENS), École normale supérieure de Lyon (ENS de Lyon)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Signalisation, noyaux et innovations en cancérologie (UMR8126), Université Paris-Sud - Paris 11 (UP11)-Institut Gustave Roussy (IGR)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), PHysicochimie des Electrolytes et Nanosystèmes InterfaciauX (PHENIX), Institut de Chimie du CNRS (INC)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Nutrition et Alimentation des Populations aux Suds (NutriPass), Université Montpellier 1 (UM1)-Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Université Montpellier 2 - 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Toulouse (INSA Toulouse), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Toulouse - Jean Jaurès (UT2J)-Université Toulouse 1 Capitole (UT1), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Centre de Biologie Intégrative (CBI), École normale supérieure - Lyon (ENS Lyon)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon, Institut national d'enseignement supérieur pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement (Institut Agro)-Institut national d'enseignement supérieur pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement (Institut Agro), and Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Sorbonne Université (SU)
- Subjects
[PHYS.PHYS.PHYS-BIO-PH]Physics [physics]/Physics [physics]/Biological Physics [physics.bio-ph] ,DNA Folding ,Chromatin and Epigenetics ,Chromosome conformation capture ,03 medical and health sciences ,Motion ,0302 clinical medicine ,Genetics ,Nucleosome ,Gene Regulation ,[SDV.BBM]Life Sciences [q-bio]/Biochemistry, Molecular Biology ,DNA, Fungal ,030304 developmental biology ,0303 health sciences ,biology ,Models, Genetic ,Dynamics (mechanics) ,Gene regulation, Chromatin and Epigenetics ,Chromatin ,Nucleosomes ,Folding (chemistry) ,Kinetics ,Histone ,Chemical physics ,biology.protein ,Chromosomes, Fungal ,Parametrization ,030217 neurology & neurosurgery - Abstract
DNA folding and dynamics along with major nuclear functions are determined by chromosome structural properties, which remain, thus far, elusive in vivo. Here, we combine polymer modeling and single particle tracking experiments to determine the physico-chemical parameters of chromatin in vitro and in living yeast. We find that the motion of reconstituted chromatin fibers can be recapitulated by the Rouse model using mechanical parameters of nucleosome arrays deduced from structural simulations. Conversely, we report that the Rouse model shows some inconsistencies to analyze the motion and structural properties inferred from yeast chromosomes determined with chromosome conformation capture techniques (specifically, Hi-C). We hence introduce the Rouse model with Transient Internal Contacts (RouseTIC), in which random association and dissociation occurs along the chromosome contour. The parametrization of this model by fitting motion and Hi-C data allows us to measure the kinetic parameters of the contact formation reaction. Chromosome contacts appear to be transient; associated to a lifetime of seconds and characterized by an attractive energy of –0.3 to –0.5 kBT. We suggest attributing this energy to the occurrence of histone tail-DNA contacts and notice that its amplitude sets chromosomes in ‘theta’ conditions, in which they are poised for compartmentalization and phase separation.
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- 2019
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