Étude du repliement tridimensionnel de la chromatine en domaines topologiques

par Quentin Szabo

Thèse de doctorat en Biologie Santé

Sous la direction de Frédéric Bantignies et de Giacomo Cavalli.

Soutenue le 27-11-2019

à Montpellier , dans le cadre de Sciences Chimiques et Biologiques pour la Santé , en partenariat avec Institut de génétique humaine (Montpellier) (laboratoire) et de Institut de génétique humaine (Montpellier) (laboratoire) .

Le président du jury était Marcelo Nollmann.

Le jury était composé de Frédéric Bantignies, Giacomo Cavalli, Marcelo Nollmann, Olivier Gadal, Luca Giorgetti, Yad Ghavi-Helm.

Les rapporteurs étaient Olivier Gadal, Luca Giorgetti.


  • Résumé

    Mon projet de thèse a consisté à étudier les mécanismes du repliement tridimensionnel du génome dans les cellules eucaryotes. L’organisation des chromosomes est étroitement liée à la régulation de nombreuses fonctions biologiques, telles que le contrôle de l’expression génique, la réplication de l’ADN ou encore la stabilité génomique. La méthode de « chromosome conformation capture » Hi-C, qui permet la cartographie des interactions entre régions d’ADN, a révélé que chez de nombreuses espèces, le génome est organisé en domaines enrichis en interactions chromatiniennes, les « Topologically Associating Domains » (TADs). Les TADs sont apparus être des acteurs majeurs de la régulation du génome par leur capacité à définir spatialement des domaines fonctionnels. Cependant, les méthodes de chromosome conformation capture générèrent des profils d’interactions généralement moyennés à partir d’ensemble de cellules. Déterminer la nature du repliement des TADs en cellules individuelles est donc crucial pour comprendre la relation structure-fonction de ces domaines génomiques. Au cours de ma thèse, j’ai utilisé des techniques de marquage fluorescent d'ADN combinés à de la microscopie en super-résolution afin d’étudier l’organisation des chromosomes en cellules uniques. Chez la drosophile, les TADs coïncident avec le partitionnement de la chromatine en domaines épigénétiques distincts. Nous avons pu caractériser chez cette espèce que les chromosomes sont organisés en une série d’unités discrètes qui correspondent aux TADs, reflétant l’exclusion mutuelle de régions transcriptionnellement actives et inactives. Ces résultats indiquent que les TADs de drosophile forment des domaines physiques qui caractérisent un niveau d’organisation structurale des chromosomes en cellules uniques. Chez les mammifères, la majorité des TADs est formée grâce à l’action du complexe cohésine et à la présence de la protéine CCCTC-binding factor (CTCF) à leurs frontières. L'application de l'imagerie à super-résolution dans des cellules souches embryonnaires et des cellules progénitrices neuronales de souris nous a permis de caractériser l’hétérogénéité du repliement des TAD d’une cellule à l’autre. Nous avons notamment pu observer leur organisation en sous-domaines globulaires qui semblent représenter une propriété générale du repliement de la chromatine à l’échelle de la centaine de nanomètres. De plus, nos résultats indiquent que les interactions chromatiniennes sont fortement favorisées à l’intérieur des TADs dans la majorité des cellules. La déplétion de CTCF abolie l’organisation spatiale de la fibre de chromatine associée aux TAD, soulignant le rôle de cette protéine dans la génération de barrières physiques entre TAD adjacents. Ces données démontrent que le repliement dynamique des TAD est compatible avec l'établissement d'environnements chromosomiques dans lesquels les contacts sont privilégiés, et réconcilient ainsi la nature probabiliste du repliement de la chromatine avec le rôle proposé des TAD dans la définition spatiale d’unités génomiques fonctionnelles.

  • Titre traduit

    Three-dimensional chromatin folding into topologically associating domains


  • Résumé

    My thesis project consisted in studying the mechanisms of the three-dimensional genome folding in eukaryotic cells. The organization of chromosomes is closely related to the regulation of many biological processes, such as gene expression control, DNA replication or genomic stability. The Hi-C "chromosome conformation capture" method, which allows the mapping of interactions between DNA regions, has revealed that the genome of many species is organized into domains enriched in chromatin interactions, the "Topologically Associating Domains" (TADs). TADs have emerged as major players of genome regulation by their ability to spatially define functional domains. However, chromosome conformation capture methods generate averaged interaction profiles that generally come from an ensemble of cells. Determining the nature and the folding of TADs in individual cells is therefore crucial to better understand the structure-function relationship of these domains. During my thesis, I used a combination of fluorescent DNA labeling and super-resolution microscopy to characterize the organization of chromosomes in single cells. In Drosophila, TADs coincide with the partitioning of the chromatin into distinct epigenetic domains. In this species, we could characterize the folding of the chromosomes into a series of discrete units that correspond to TADs, reflecting the mutual exclusion of transcriptionally active and inactive regions. These results indicate that Drosophila TADs form physical domains that characterize a higher-order layer of chromosome folding in individual cells. In mammals, the majority of TADs emerge through the action of the cohesin complex and the CCCTC-binding factor (CTCF) bound at their borders. The application of super-resolution imaging in mouse embryonic stem cells and neuronal progenitor cells revealed the high degree of cell-to-cell heterogeneity of TAD folding, ranging from condensed and globular objects to dispersed and stretched conformations. We were able to observe their organization into discrete subdomains which seem to represent a general property of the folding of the chromatin fiber at the nanoscale. Furthermore, our data indicate that the physical intermingling of the chromatin is highly favored within TADs in a large majority of cells. Depletion of CTCF abolishes the TAD-dependent spatial organization of the chromatin fiber, highlighting the role of this protein in generating physical barriers between adjacent TADs. Altogether, our results demonstrate that the dynamic folding of TAD is compatible with the establishment of chromosomal environments in which contacts are privileged, and thus reconcile the probabilistic nature of chromatin folding with the proposed role of TADs in the spatial definition of functional genomic units.


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