Décryptage des processus transcriptionel dans la sénescence cellulaire : le rôle de PARP1 dans la régulation de l'expression génique associée à la sénescence

Deciphering Gene-regulatory Processes in Cellular Senescence : the role of PARP1 in the regulation of senescence - associated gene expression

• Auteur / Autrice : Lucas Robinson
• Direction : Oliver Bischof
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la vie et de la santé. Vieillissement
• Date : Soutenance le 19/09/2019
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Bio Sorbonne Paris Cité (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pasteur (Paris). Unité Organisation nucléaire et oncogenèse
• Partenaire(s) de recherche : Structure de recherche : Institut Pasteur. Département de Biologie cellulaire et infection (2006-….)
• Jury : Président / Présidente : Chantal Desdouets
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Éric Gilson, Han Li
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Carl Mann, Jesus Gil

Mots clés

Mots clés contrôlés

Épigenèse génétique

Poly (ADP-Ribose) polymerase-1

Poly (ADP-ribose) polymérase

Troubles du métabolisme

Mort cellulaire

Vieillissement

Mots clés libres

Sénescence

Senescence

Résumé

La sénescence cellulaire est une réaction de stress complexe qui arrête la prolifération cellulaire et s'accompagne de bouleversements généralisés du métabolisme, de la structure de la chromatine et de l'expression des gènes, y compris la surexpression et la sécrétion de facteurs inflammatoires. La sénescence cellulaire a des effets bénéfiques en tant que mécanisme suppresseur de tumeurs et facilite le développement embryonnaire ainsi que la régénération tissulaire. Cependant, ce processus est également considéré comme un acteur important du vieillissement et des maladies liées à l'âge, principalement par son phénotype inflammatoire, appelé SASP (Senescence-associated secretory phenotype). Les recherches actuelles pointent vers un rôle de PARP1 (poly(ADP-ribose) polymérase 1) dans la régulation transcriptionnelle des processus inflammatoires et la modulation de la structure de la chromatine. Néanmoins, les mécanismes exacts par lesquels PARP1 exerce ses fonctions de régulation et ses rôles dans le contexte de la régulation transcriptionnelle de la sénescence demeurent peu connus. Dans ma thèse, j'ai entrepris de définir le rôle fonctionnel des activités catalytique et de liaison à la chromatine de PARP1 dans la régulation transcriptionnelle et la structure de la chromatine dans les cellules en sénescence. J'ai réalisé des analyses transcriptomiques à résolution temporelle, des études d'accessibilité de la chromatine et du paysage chromatinien de PARP1 par ChIP-Seq, ainsi que de la chromatine ADP-ribosylée en développant une nouvelle technique le CRAP-seq (Chromatin-Ribosylation-Affinity-Pulldown). Ces analyses ont permis d’identifier une dichotomie de la fonction de PARP1 - l'une liée à son activité enzymatique d’ADP-ribosylation et l'autre à son activité de liaison à la chromatine non enzymatique - avec des impacts distincts sur le programme transcriptionnel de la sénescence. Sur la base de ces résultats, j’ai pu définir un nouveau rôle global pour PARP1 dans la modulation de la structure de la chromatine, d’une part par la stabilisation du positionnement des nucléosomes au niveau des promoteurs géniques et d’autre part par l’ADP-ribosylation des éléments régulateurs en cis pour finement réguler la transcription des gènes peu exprimés. Ainsi, ces recherches permettent d’envisager le rôle des inhibiteurs de PARP dans les thérapies ciblant la sénescence (thérapies sénolytiques) pour le traitement des pathologies liées au vieillissement.

Cellular senescence is a complex stress response that arrests cell proliferation and is accompanied by widespread changes in metabolism, chromatin structure, and gene-expression, including the overexpression and secretion of inflammatory factors. Cellular senescence is health-promoting as a tumor-suppressive mechanism, facilitating embryonic development and tissue regeneration. However, it is also considered a major contributor to aging and age-related diseases, mostly through its inflammatory phenotype, the so-called SASP (senescence-associated secretory phenotype). Current research supports the role of PARP1 (Poly (ADP-ribose) polymerase 1) in the transcriptional regulation of inflammatory processes and modulation chromatin structure. However, the exact mechanisms by which PARP1 exerts its regulatory functions, and its roles in the context of regulating senescence gene-expression are underexplored. In my thesis, I set out to define the functional role of PARP1 catalytic and chromatin binding activities in gene regulation and chromatin structure in cells undergoing senescence. I performed time-resolved transcriptomics, chromatin-accessibility studies, and mapping of the genome-wide locations of PARP1 using ChIP-seq and ADP-ribosylated chromatin using a novel technique CRAP-seq (Chromatin-Ribosylation-Affinity-Pulldown). Together, I identified a dichotomy of PARP1 function – one related to its enzymatic ADP-ribosylation activity and the other related to its non-enzymatic chromatin binding activity – with distinct impacts on the senescence transcriptional program. Based on these findings, I can define a novel and global role for PARP1 in and chromatin structure modulation by stabilizing nucleosomes positioning at gene promoters and ADP-ribosylation of cis-regulatory modules to fine-tune transcription of lowly expressed genes. Indeed, based on my investigations, the role of PARP-inhibitors in senescence targeting therapies (senolytic therapies) for the treatment of age-related pathologies can be envisioned.