Observer les paysages conformationnels de l'ADN par photo-modification laser: application aux diagnostiques prédictifs de la résistance aux anti-cancéreux. // Mapping DNA Conformational Landscapes through Laser Photo-modification: Applications for Predict

Contexte scientifique
La régulation de l'expression génique représente l'un des mécanismes fondamentaux du vivant, où la séquence d'ADN ne constitue que la première strate d'un système de contrôle extraordinairement complexe. Au-delà de l'information génétique primaire, c'est l'architecture tridimensionnelle de l'ADN qui joue un rôle déterminant dans l'accessibilité des gènes à la machinerie transcriptionnelle. Cette topologie dynamique, caractérisée par des surenroulements, des plectonèmes et diverses structures secondaires, module finement quels gènes sont exprimés, à quel moment et avec quelle intensité.
De nombreuses pathologies, particulièrement les cancers, émergent d'une perturbation de ces mécanismes épigénétiques. La compréhension approfondie de ces processus représente donc un enjeu majeur tant pour la biologie fondamentale que pour le développement de nouvelles approches thérapeutiques ciblées.
Objectifs du projet doctoral
Ce projet de thèse vise à développer une méthodologie révolutionnaire permettant de capturer, avec une résolution nucléotidique, l'architecture conformationnelle de l'ADN au sein de cellules vivantes. Notre approche repose sur un principe innovant: l'utilisation d'impulsions laser ultrarapides comme 'flash photographique moléculaire' pour figer instantanément la structure de l'ADN via la formation de dimères cyclobutaniques entre pyrimidines adjacentes.
La probabilité de formation de ces photolésions dépend directement de la géométrie locale de l'ADN. Ainsi, en cartographiant précisément la distribution de ces dimères après irradiation, nous obtenons une empreinte digitale de la conformation de l'ADN à l'instant de l'impulsion laser. Le séquençage Nanopore, capable de détecter ces modifications avec une précision remarquable, nous permettra d'établir cette cartographie à l'échelle du génome entier.
Notre ambition est double:
1. Développer un atlas des conformations d'ADN associées à différents contextes physiologiques (degrés de surenroulement, compaction chromatinienne, interactions avec facteurs de transcription)
2. Appliquer cette technologie à un défi clinique majeur: la prédiction précoce de la résistance aux thérapies ciblées dans le cancer du sein HER2-positif
Méthodologie intégrée
Notre approche combine expertise en photophysique, biologie moléculaire et analyse computationnelle:
Photochimie précise de l'ADN: Nous optimiserons les paramètres d'irradiation laser (durée d'impulsion, longueur d'onde, fluence) pour induire sélectivement des dimères cyclobutaniques sans générer de dommages non spécifiques. Cette phase reposera sur des systèmes modèles in vitro (plasmides purifiés sous différentes contraintes topologiques) avant d'être transposée à des cellules entières.
Séquençage innovant: Le passage de l'ADN photo-modifié à travers les nanopores génère des perturbations caractéristiques du signal électrique. Nous développerons des algorithmes dédiés pour déconvoluer ce signal et identifier avec précision la nature et la position de chaque lésion. Cette étape cruciale nécessitera une calibration rigoureuse avec des oligonucléotides synthétiques portant des lésions à positions définies.
Reconstruction conformationnelle: En couplant nos données expérimentales à des simulations de dynamique moléculaire, nous traduirons les cartes de photolésions en modèles structuraux tridimensionnels, offrant une vision sans précédent de l'organisation locale et globale de l'ADN.
Application oncologique: En partenariat avec un laboratoire spécialisé de l'INSERM, nous analyserons des lignées cellulaires de cancer du sein HER2-positif, dans lesquelles la résistance au trastuzumab (Herceptin) a été induite. Nous établirons une base de données d'empreintes épigénétiques spécifiques, dans l'objectif de développer un outil diagnostique prédictif de la résistance thérapeutique avant même son expression phénotypique.
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Scientific Context
Gene expression regulation represents one of the fundamental mechanisms of life, where the DNA sequence constitutes merely the first layer of an extraordinarily complex control system. Beyond primary genetic information, the three-dimensional architecture of DNA plays a determinant role in gene accessibility to the transcriptional machinery. This dynamic topology, characterized by supercoiling, plectonemes, and various secondary structures, finely modulates which genes are expressed, at what time, and with what intensity.
Numerous pathologies, particularly cancers, emerge from perturbations of these epigenetic mechanisms. A thorough understanding of these processes therefore represents a major challenge both for fundamental biology and for the development of novel targeted therapeutic approaches.
Doctoral Project Objectives
This thesis project aims to develop a revolutionary methodology enabling the capture, with nucleotide resolution, of the conformational architecture of DNA within living cells. Our approach is based on an innovative principle: the use of ultrafast laser pulses as a 'molecular photographic flash' to instantly freeze DNA structure via the formation of cyclobutane dimers between adjacent pyrimidines.
The probability of these photolesions forming directly depends on the local geometry of DNA. Thus, by precisely mapping the distribution of these dimers after irradiation, we obtain a digital fingerprint of DNA conformation at the moment of the laser pulse. Nanopore sequencing, capable of detecting these modifications with remarkable precision, will allow us to establish this mapping at the whole-genome scale.
Our ambition is twofold:
1. Develop an atlas of DNA conformations associated with different physiological contexts (degrees of supercoiling, chromatin compaction, interactions with transcription factors)
2. Apply this technology to a major clinical challenge: the early prediction of resistance to targeted therapies in HER2-positive breast cancer
Integrated Methodology
Our approach combines expertise in photophysics, molecular biology, and computational analysis:
Precise DNA Photochemistry: We will optimize laser irradiation parameters (pulse duration, wavelength, fluence) to selectively induce cyclobutane dimers without generating non-specific damage. This phase will rely on in vitro model systems (purified plasmids under different topological constraints) before being transposed to whole cells.
Innovative Sequencing: The passage of photo-modified DNA through nanopores generates characteristic perturbations in the electrical signal. We will develop dedicated algorithms to deconvolve this signal and precisely identify the nature and position of each lesion. This crucial step will require rigorous calibration with synthetic oligonucleotides bearing lesions at defined positions.
Conformational Reconstruction: By coupling our experimental data with molecular dynamics simulations, we will translate photolesion maps into three-dimensional structural models, offering an unprecedented view of the local and global organization of DNA.
Oncological Application: In partnership with a specialized INSERM laboratory, we will analyze HER2-positive breast cancer cell lines in which resistance to trastuzumab (Herceptin) has been induced. We will establish a database of specific epigenetic fingerprints, with the objective of developing a predictive diagnostic tool for therapeutic resistance before its phenotypic expression.
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Début de la thèse : 01/10/2025

Financement d'un établissement public Français

CentraleSupélec

573 Interfaces : matériaux, systèmes, usages

Le candidat idéal possèdera un intérêt pour la biophysique, biologie moléculaire ou statistique, avec une appétence marquée pour l'interdisciplinarité. Des compétences avérées en programmation (Python ou R et en analyse de données sont indispensables. Une expérience préalable en biologie structurale, en traitement du signal ou en modélisation moléculaire constituera un atout significatif. Le travail expérimental mobilisera diverses techniques: culture cellulaire, extraction et manipulation d'ADN, séquençage Nanopore, manipulation de systèmes laser ultrarapides et analyses computationnelles sur architectures GPU. Le doctorant bénéficiera d'un encadrement multidisciplinaire assuré par des experts en physique moléculaire, biologie structurale et oncologie clinique.
The ideal candidate will have interests in biophysics, molecular biology, or statistical physics, with a marked aptitude for interdisciplinarity. Proven skills in programming (Python or R) and data analysis are essential. Prior experience in structural biology, signal processing, or molecular modeling will constitute a significant advantage. The experimental work will mobilize various techniques: cell culture, DNA extraction and manipulation, Nanopore sequencing, manipulation of ultrafast laser systems, and computational analyses on GPU architectures. The doctoral student will benefit from multidisciplinary supervision ensured by experts in molecular physics, structural biology, and clinical oncology.