Altération du contrôle de H3K27me3 et dérégulation transcriptionnnelle dans les gliomes : études des clusters HOX

Alteration in H3K27me3 control and transcriptional deregulation in glioma : lessons from HOX clusters

• Auteur / Autrice : Elisa Le Boiteux
• Direction : Philippe Arnaud, Anne Fogli
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Epigénétique et Cancer
• Date : Soutenance le 03/12/2019
• Etablissement(s) : Université Clermont Auvergne‎ (2017-2020)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences de la vie, santé, agronomie, environnement (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Génétique, Reproduction et Développement (Clermont-Ferrand)
• Jury : Président / Présidente : Pierre Verrelle
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mary Callanan, Marie-Pierre Junier, Samir Merabet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Gliomes

Épigénétique

Cancer -- Recherche

Mots clés libres

Épigénétique

Cancer

Gliome

Gènes HOX

H3K27me3

ARN non codants

Epigenetics

Cancer

Glioma

HOX genes

H3K27me3

Non coding RNA

Résumé

Il est largement documenté que les patrons épigénétiques sont altérés dans les cancers. Pour autant, l’étendue et la nature précise de ces altérations, tout comme leur impact sur l’expression des gènes, restent encore peu appréciés. Mon projet de thèse est bâti sur ce constat, et s’inscrit en particulier dans la recherche des causes et conséquences des altérations épigénétiques dans les gliomes. Ces tumeurs du système nerveux central représentent en effet un excellent modèle, car elles présentent des défauts de méthylation de l’ADN permettant de discriminer deux populations de tumeurs avec des caractéristiques cliniques différentes. Notre stratégie, basée sur des analyses moléculaires exhaustives, s’est appuyée sur une cohorte de 70 échantillons tumoraux, classés sur la base de leur statut IDH, et de six lignées de cellules souches de glioblastomes (CSG).Ces travaux ont tout d’abord permis de relativiser la contribution de la méthylation de l’ADN dans les dérégulations transcriptionnelles observées dans les gliomes. Il apparait en effet que ce sont plutôt les altérations au niveau de la chromatine bivalente, et plus spécifiquement de la marque H3K27me3, qui sont la cause principale de ces dérégulations transcriptionnelles. Spécifiquement, nos données supportent un modèle selon lequel l’altération dans le contrôle de la marque H3K27me3, et plus spécifiquement dans les interactions entre le complexe PRC2 et la machinerie de transcription spécifique au cerveau, est la cause principale des altérations transcriptionnelles dans les gliomes.Cette étude révèle également que les gènes à homéodomaine, et en particulier les gènes HOX, constituent une catégorie à part dans les gliomes les plus agressifs (IDHwt). Leur signature moléculaire, associant gain d’expression et gain de méthylation de l’ADN, est en effet atypique. Nos données révèlent que cette altération est généralisée aux quatre clusters HOX, et que la réactivation de ces gènes est liée à la perte drastique et spécifique de la marque H3K27me3 sur ces régions. Cette étude conduit également à proposer un modèle original selon lequel l’hypométhylation globale de l’ADN est un élément déclencheur de l’expression ectopique détectée au niveau de nombreux gènes, et dont l’altération des gènes HOX aurait, via un effet domino, un rôle central. L’observation de l’altération de la marque H3K27me3 dans les gliomes, et en particulier aux clusters HOX, nous a également amené à nous interroger sur le rôle des ARN non codants dans ces mécanismes. En ce sens, un transcrit non codant encore peu caractérisé, nommé HOXA-AS2 (situé en antisens au niveau du cluster HOXA), a été identifié. Ce transcrit est significativement et spécifiquement surexprimé dans les gliomes IDHwt. Des approches de sous-expression dans des lignées bien caractérisées de CSG suggèrent un rôle central de HOXA-AS2 dans la biologie de ces cellules. Il contribuerait ainsi au caractère pathologique des CSG en inhibant les voies de l’inflammation et en favorisant la capacité des cellules à proliférer.Dans son ensemble, ce travail revisite le lien entre altérations épigénétiques et défauts d’expression dans les cancers et met en évidence qu’une altération dans le contrôle de la marque H3K27me3 est la principale cause des défauts d’expression des gènes.

Epigenetic alterations are a well-known signature of cancer cells. However, the causes of these defects, as well as their consequence on gene expression, remain elusive. My thesis project specifically lies in this thematic, and focuses on the causes and consequences of epigenetic alterations in gliomas. These brain tumors can be divided into two subsets, based on IDH mutation status, that are characterized by different methylation profiles. Interestingly, the mutation of IDH is also associated with a better prognosis. Our strategy, based on exhaustive molecular analyses, relies on the study of 70 glioma samples, classified according to their IDH status, and of six glioblastoma stem cell (GSC) lines.We found that most transcriptional alterations in tumor samples were DNA methylation-independent. Instead, altered histone H3 trimethylation at lysine 27 (H3K27me3) was the predominant molecular defect at deregulated genes. Our results also suggest that the presence of a bivalent chromatin signature at CpG island promoters in stem cells predisposes not only to hypermethylation, as widely documented, but more generally to all types of transcriptional alterations in transformed cells. In addition, the gene expression strength in healthy brain cells influences the choice between DNA methylation- and H3K27me3-associated silencing in glioma. Highly expressed genes were more likely to be repressed by H3K27me3 than by DNA methylation. Our findings support a model in which altered H3K27me3 dynamics, more specifically defects in the interplay between Polycomb protein complexes and the brain-specific transcriptional machinery, is the main cause of transcriptional alteration in glioma cells. Also, our study revealed that homeodomain genes, and in particular HOX genes, are characterized by an atypical defect in aggressive gliomas (IDHwt), associating a gain of expression with an aberrant gain of methylation. We determined that this alteration affect all the four HOX clusters, and that the reactivation of these genes is likely a consequence of the aberrant loss of H3K27me3 that specifically affect these clusters. This study allows to propose a model whereby global DNA hypomethylation triggers ectopic expression of numerous genes through a cascade of events, in which HOX gene alteration would have a central role.The observation that H3K27me3 is deregulated in gliomas, and particularly on HOX genes, also lead us to investigate for the role of non-coding RNA in these mechanisms. We have identified HOXA-AS2, a yet poorly characterized long non-coding RNA located at HOXA locus, that is specifically and significantly overexpressed in IDHwt gliomas. The inhibition of HOXA-AS2 in well-characterized CSG lines suggests that this transcript play a central role in the biology of these cells. Thus, it would contribute to the aggressiveness of CSG by inhibiting inflammatory pathways and promoting cell proliferation. Altogether, these works revisit the relationship between epigenetic alterations and aberrant transcription, and present the control of H3K27me3 as the main cause of transcriptionnel defects in cancer.