Régulation et fonction de la chromatine bivalente chez les mammifères : l'emprunte parentale comme modèle.

Regulation and function of bivalent chromatin in mammals : genomic imprinting as a model

• Auteur / Autrice : Bertille Montibus
• Direction : Philippe Arnaud
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la vie et de la sante
• Date : Soutenance le 29/09/2016
• Etablissement(s) : Clermont-Ferrand 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences de la vie, santé, agronomie, environnement (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Génétique, Reproduction et Développement (Clermont-Ferrand)
• Jury : Président / Présidente : Christophe Tatout
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Arnaud, Tristant Bouschet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jérôme Cavaillé, Véronique Azuara

Mots clés

Mots clés contrôlés

Génétique

Méthylation

Épigénétique

Chromatine

Mots clés libres

Chromatine bivalente

Emprunte parentale

JMJD3

Corticogénése

Bivalent chromatin

Genomic imprinting

JMJD3

Corticogenesis

Résumé

La différenciation et le développement requièrent une régulation fine de l’expression desgènes, médiée en partie par les modifications épigénétiques. Parmi les modificationsd’histones, la chromatine bivalente, signature chromatinienne atypique associant lesmarques permissive H3K4me2/3 et répressive H3K27me3, est de par sa plasticité, pressentiepour jouer un rôle décisionnel dans l’acquisition d’une identité cellulaire. Pour étudier le rôlede la chromatine bivalente au cours du développement, nous avons choisi d’utiliserl’empreinte parentale. Ce cadre développemental bien caractérisé, conduit à l’expression decertains gènes à partir d’un seul des deux allèles selon son origine parentale. La méthylationdifférentielle de l’ADN d’une région clé, appelée ICR (Imprinting Control Region), bienqu’absolument requise pour l’expression mono-allélique de ces gènes, n’est pas suffisantepour rendre compte de la complexité du profil d’expression de ces gènes suggérantl’implication d’autres mécanismes. Sur 15 ICR méthylés sur l’allèle maternel, nous avonsprécisément mis en évidence que la chromatine bivalente est présente par défaut sur l’allèlenon-méthylé lorsque celui-ci est transcriptionnellement inactif, quel que soit le stadedéveloppemental ou le tissu étudié, participant ainsi à la régulation fine de l’expressiontissu-spécifique à partir de ces régions. Dans leur ensemble, nos données révèlent que lachromatine bivalente joue un rôle moins dynamique que pressentie. Ainsi, au niveau del’empreinte parentale, sa fonction principale serait de protéger l’allèle non-méthylé des ICRcontre l’acquisition de méthylation tout en aidant à le maintenir réprimé dans certainstissus. Nous proposons que la chromatine bivalente joue un rôle similaire sur l’ensemble desîlots CpG du génome, contribuant ainsi à la protection de l’identité cellulaire. Afin decompléter cette première étude, j’ai étudié la régulation de l’expression d’un candidat de larégulation de la dynamique de la chromatine bivalente, l’histone déméthylase pourH3K27me3, JMJD3. Les résultats obtenus suggèrent que l’induction d’expression observéeau cours de la différenciation neurale s’appuie sur une dynamique de la structuretridimensionnelle de la chromatine qui pourrait elle-même être régulée par la transcriptiond’un eARN (enhancer ARN) et l’hydroxyméthylation. Ce modèle souligne un mode derégulation complexe de ce nouvel acteur épigénétique, impliquant des régionsintragéniques, et pourrait notamment permettre de comprendre les mécanismes impliquésdans sa dérégulation dans les cancers.

Fine-tuned regulation of gene expression is required for cell fate determination anddevelopment. Epigenetics modifications are well documented to be instrumental in thisprocess. Among them, bivalent chromatin, an unusual chromatin signature, which associatesthe permissive mark H3K4me2/3 and the repressive mark H3K27me3, is believed to arbitrategene expression during cell commitment. To study its precise role in development, we haveundertaken to study bivalency in the context of genomic imprinting. This well-defineddevelopmental frame is a process restricting expression of some genes to one parental alleleonly. The constitutive differential DNA methylation at the key region called ICR (ImprintingControl Region), is absolutely required but not sufficient to explain the complexity of themono-allelic expression pattern of imprinted genes, indicating that other mechanisms couldbe involved. Specifically, on 15 maternally methylated ICR, we showed that bivalentchromatin is acquired by default on the unmethylated allele of ICR when it istranscriptionally inactive whatever the developmental stage or the tissue studied and thuscontribute to tissue-specific expression from these regions. Altogether, our results revealthat chromatin bivalency is much less dynamic than proposed. In the context of genomicimprinting, it seems to plays more a safeguard function at ICR by protecting theunmethylated allele against DNA methylation acquisition while keeping it silent in a subsetof tissues. To complete this study, I studied the regulation of JMJD3, a histone demethylasefor H3K27me3, candidate to regulate bivalency dynamic. Our results suggest that theinduction of Jmjd3 expression observed during neural differentiation rely on the dynamic ofthe tridimensional architecture at the locus which could be regulated by the transcription ofan eRNA (enhancer RNA) and by hydroxymethylation. This model highlight a complex way ofregulation for this new epigenetics actor, involving intragenic regions and could help tounderstand how Jmjd3 expression is deregulated in a pathological context such as in cancer.