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L’avènement de la microscopie de localisation à une seule molécule (SMLM) a permis une exploration sans précédent de structures biologiques à l’échellenanométrique 1,2,3,4,5. Au-delà de l’imagerie à cible unique, l’extension à la SMLM multicolore a encore fait progresser le domaine en permettant la visualisation simultanée de multiples espèces moléculaires, ainsi que des relations spatiales et temporelles entre les structures de sous-diffraction 6,7,8,9,10,11 . Cependant, l’application de SMLM multiplexée à des modifications histoniques abondamment distribuées reste difficile en raison de la nature dense et polymérique de l’ADN nucléaire et de l’accessibilité limitée des anticorps dans cetenvironnement 12,13,14,15,16,17,18.
La chromatine présente une organisation hiérarchique et multi-échelles couvrant plusieurs ordres de grandeur de longueur, allant des assemblages de nucléosomes à l’échelle nanométrique à l’architecture nucléaire à l’échelle micrométrique. À la plus grande échelle, les chromosomes occupent des territoires chromosomais distincts, au sein desquels le génome est ensuite divisé en compartiments A/B et domaines associés topologiquement (TAD) qui contraignent les interactions régulatrices à longue portée via des mécanismes tels que l’extrusion deboucles 19,20,21,22 . À l’échelle inférieure à 200 nm, la chromatine est organisée comme un polymère désordonné composé de domaines d’empaquetement hétérogènes () plutôt que de blocs discrets d’euchromatine et d’hétérochromatine, avec des régions transcriptionnellement actives préférentiellement se localisant aux frontières 23,24,25,26,27,28,29. Aux plus petites échelles (5-20 nm), la chromatine se compose d’assemblages nucléosomes irréguliers et de pochettes de nucléosomes, soulignant l’absence d’un motif de repliement uniforme d’ordre supérieur et soulignant la nature émergente et dépendante de l’échelle de l’organisationdu génome 24,26,30. Avec l’avancement rapide des approches basées sur le séquençage, telles que le séquençage par immunoprécipitation par chromatine et la capture par conformation à haut débit 19,30,31,32,33, diverses caractéristiques des structures organisationnelles mésoscale de la chromatine ont été identifiées 31,32. Cependant, ces techniques, contrairement à l’imagerie, ne capturent pas une géométrie spatiale qui n’est observée qu’après résolution de ces structures. Des méthodes de microscopie électronique telles que la microscopie électronique par chromatine (ChromEM24) et la microscopie électronique à balayage de la chromatine (ChromSTEM25) ont révélé que la chromatine est hétérogène et organisée en domaines d’empaquetage à des échelles de longueur de 50 à 200 nm25, 28, 29. Bien que ces techniques permettent une résolution impressionnante pour identifier les domaines d’empaquetement de la chromatine, elles ne peuvent pas fournir une cartographie moléculairamente spécifique comme le SMLM propose. L’accumulation de points d’ADN pour l’imagerie en topographie nanométrique (ADN-PAINT22) et l’hybridation in situ par fluorescence multiplexée (FISH)19permet un multiplexage élevé ; cependant, DNA-PAINT est fortement affecté par un bruit de fond élevé provenant d’événements de liaison aléatoires dans l’environnement nucléaire riche en oligonucléotides, tandis que les méthodes traditionnelles de dénaturation thermique FISH nécessitent un repliement de chromatine native perturbé. Des études antérieures ont appliqué des techniques d’imagerie à super résolution pour étudier la chromatine à cette échelle de longueur et ont identifié une composition hybride de domaines d’empaquetage, opposée aux modèles antérieurs de séparationde phase 12,23,34,35. Ce protocole découle d’un article publié précédemment discutant de la signification biologique de cesdécouvertes 34. Ainsi, compte tenu de sa haute résolution et de ses capacités de multiplexage, dSTORM basé sur l’immunocoloration reste la stratégie la plus viable pour l’imagerie par chromatine multicolore dans des conditions proches de la nativité.
Ce protocole n’est pas le premier à démontrer le marquage de plus de deux cibles nucléaires, des études antérieures ayant marqué des complexes protéiques ou gènesindividuels 12,36. Malgré le marquage réussi des modifications histoniques post-traductionnelles nucléosomistes, le marquage, l’imagerie et l’analyse multicolores de la chromatine SMLM présentent des défis importants. Premièrement, l’immunocoloration dans un environnement dense de chromatine nécessite une optimisation de la concentration d’anticorps, de la séquence d’incubation et de la composition du tampon afin d’assurer une pénétration et une liaison adéquates sans trop de fond. Deuxièmement, une analyse complète de plusieurs marquants est nécessaire, car les interactions entre l’euchromatine, l’hétérochromatine et des enzymes telles que l’ARN polymérase sont susceptibles de dépasser les simples exclusions binaires. Jusqu’à présent, le nombre maximal de couleurs démontrées en imagerie chromatine dSTORM reste dedeux 18, 37, 38, 39.
Nous présentons ici un protocole robuste pour l’imagerie et l’analyse SMLM en chromatine à trois couleurs. Notre flux de travail de coloration optimise le temps d’incubation des anticorps et utilise des tampons d’imagerieaméliorés 40pour une séance d’imagerie prolongée sur plusieurs marqueurs. Nous décrivons également des pipelines computationnels pour l’analyse de la distance en deux couleurs et l’analyse de la densité des articulations en trois couleurs, permettant la caractérisation quantitative des relations entre l’hétérochromatine, l’euchromatine et la machinerie de transcription. Contrairement aux études antérieures sur la chromatine bicolore SMLM qui suggéraient une séparation de l’hétérochromatine et de l’euchromatine, l’imagerie en chromatine tricolore révèle que le génome est organisé en domaines d’emballage, avec l’euchromatine et la transcription active localisées à la périphérie des noyaux constitutifs d’hétérochromatine34.
Ce protocole fournit à la communauté un cadre reproductible pour réaliser la SMLM à la chromatine multicolore et établit des stratégies d’analyse adaptées à plusieurs cibles nucléaires conjuguées fonctionnellement. En comblant les lacunes méthodologiques, il permet une exploration systématique de l’organisation des domaines de la chromatine au niveau supra-nucléosomique, complétant les approches de séquençage et de microscopie électronique tout en préservant l’architecture nucléaire native. Cet article est un protocole étendu d’un articlepublié 34.