Le lien entre la taille du noyau et celle de la cellule est connu depuis plus d'un siècle, mais son mécanisme restait obscur. Des travaux voisins dans l'archive explorent comment les moteurs cellulaires fixent la taille des gouttelettes, comment la courbure dicte la taille dans la mécanique céleste des cellules, comment la taille et la compression déclenchent une division asymétrique, ainsi que la façon dont la forme du noyau modifie sa taille. Le présent travail fait bande à part : il teste directement l'hypothèse de l'équilibre osmotique, tandis que ses voisins se concentrent sur les forces mécaniques et la géométrie.
Chez la levure S. cerevisiae, on a induit une forte expression d'une protéine fluorescente 3xFP, soit avec un signal de localisation nucléaire (3xFP-NLS), soit avec un signal d'export nucléaire (3xFP-NES). Après 6 heures, les volumes de la cellule et du noyau ont été mesurés par microscopie. Pour séparer les effets du volume exclu et de la pression osmotique, on a fait varier la taille des macromolécules cytoplasmiques dans un extrait d'œufs de Xenopus à masse protéique constante. En complément, un export optogénétique de protéine hors du noyau a été utilisé dans des cellules HeLa.
L'expression de 3xFP-NLS a augmenté le volume du noyau d'un facteur 7,7 et fait passer le rapport N/C de 6,3 % à 18,8 %. L'expression de 3xFP-NES a réduit le rapport N/C de 5,3 % à 3,2 % et provoqué une déformation du noyau. Dans l'extrait d'œufs, le remplacement de gros complexes par de la BSA de même masse a diminué la taille des noyaux, ce qui a confirmé le rôle du nombre de particules et non de leur masse. Le modèle a estimé le nombre de colloïdes osmotiquement actifs dans la cellule à environ 7,2–20,4 millions, ce qui est proche des données protéomiques. La modification du rapport N/C changeait la densité de masse sèche du noyau et du cytoplasme, et entraînait aussi une redistribution de l'ARN polymérase II : lorsque le noyau grossissait, des gènes faiblement exprimés s'activaient (notamment des gènes subtélomériques et des rétrotransposons), tandis que la compression renforçait l'expression des gènes très actifs. La compression nucléaire dans des cellules agrandies inversait les changements transcriptomiques.
Ce travail montre pour la première fois directement que la pression osmotique des protéines suffit à établir le rapport N/C, et il explique le lien universel entre la taille du noyau et celle de la cellule. Contrairement aux études voisines, qui examinent les forces mécaniques ou la géométrie, il quantifie ici la contribution de la pression colloïdo-osmotique proprement dite, et démontre en outre que les changements de taille du noyau provoquent à eux seuls une réorganisation du transcriptome semblable à celle observée lors du vieillissement cellulaire.
Le sujet pourrait évoluer vers l'étude de la manière dont les variations de pression osmotique et la séparation de phase de la chromatine régulent l'accessibilité des gènes en conditions normales et pathologiques. Il est envisageable de vérifier le rôle de la taille du noyau dans la différenciation des cellules souches et dans les processus de vieillissement.
Les résultats auront un retentissement sur la biologie cellulaire, la biophysique du noyau, la recherche sur le vieillissement et le cancer, ainsi que sur la compréhension de la régulation de la transcription par les paramètres physiques de la cellule.
Les prochaines étapes consistent à déterminer comment précisément la pression osmotique influence la séparation de phase de la chromatine et l'accessibilité des promoteurs, et à vérifier la conservation du mécanisme dans les cellules de mammifères in vivo.
Ce travail relie le problème du contrôle de la taille du noyau à des questions anciennes sur les mécanismes du silençage génique, l'activation des rétrotransposons lors du vieillissement et la coordination entre croissance cellulaire et division. Il propose une base physique pour comprendre comment les modifications de l'architecture nucléaire lors du vieillissement et de la différenciation peuvent influencer directement l'expression des gènes.
La concentration des macromolécules osmotiquement actives dans la cellule n'est que d'environ 0,24–0,68 mM, soit des centaines de fois moins que celle des petites molécules, mais cela suffit à déterminer la taille du noyau.
Non publié sur arXiv. Voici sa page, le PDF et la formalisation : vous pouvez vérifier vous-même, pas seulement lire notre analyse.