Régulation de l'expression de gènes : un partage du travail entre les modifications de la chromatine, les insulateurs et la topologie du génome

Gene expression regulation : a crosstalk between histone modifications, insulators and genome topology

• Auteur / Autrice : David Depierre
• Direction : Olivier Cuvier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Bio-informatique, Génomique et Biologie des Systèmes
• Date : Soutenance le 15/12/2021
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Biologie Santé Biotechnologies (Toulouse)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olivier Cuvier, Gwennaële Fichant, Pascal Guy Pierre Martin
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Bernd Schuttengruber, Nicolas Gilbert

Mots clés

Mots clés contrôlés

Bioinformatique

Chromatine

Régulation génétique

Mots clés libres

Bio-informatique

Génomique

Modifications d'histone

Topologie du génome

Insulateurs

Régulation de l'expression génique

Bioinformatics

Genomic

Histone modifications

Genome topology

Insulators

Gene expression regulation

Résumé

La chromatine est le support des programmes transcriptionnels et de la régulation des gènes, basée sur un couplage entre l'activité transcriptionnelle, les modifications d'histones et la structure topologique de la chromatine. Le génome est subdivisé en euchromatine et hétérochromatine. L'euchromatine est associée avec les gènes actifs et enrichie en H3K36 et H3K4 méthylés alors que l'hétérochromatine, qui contribue à la répression transcriptionnelle des gènes est enrichie en H3K27me3 ou H3K9me3 lorsqu'elle se situe dans des régions péricentromérique et télomerique. En plus de cette organisation linéaire, la chromatine est structurée en domaines topologiques (TADs) et en compartiments qui coalescent, formant des regroupements à longue distance de domaines de mêmes fonctions. Les insulateurs sont des points d'ancrages qui régulent la topologie de la chromatine via des boucles qui isolent les TADs les uns des autres. La régulation de l'expression des gènes est dictée par l'état de la chromatine et par sa structure. Cependant, la chromatine peut être modifiée par des processus associés à la transcription et les machineries de transcription pourraient participer à la formation des compartiments. L'existence d'une hiérarchie et les principes qui permettent la collaboration entre la transcription, les états de la chromatine et sa topologie restent méconnus. Pendant ma thèse, j'ai analysé l'influence respective des di et tri-méthylations de H3K36 dans le maintien des domaines chromatiniens. J'ai également contribué au développement d'une méthode computationnelle visant à étudier le rôle des insulateurs. H3K36me2 et me3 sont toutes les deux enrichies dans l'euchromatine et sont connues pour empêcher la déposition de la marque répressive H3K27me3. Cependant, on ne sait pas si la di-méthylation est suffisante pour ce blocage ou si elle est uniquement une étape intermédiaire avant la tri-méthylation. Ces modifications sont assurées, en fonction des espèces, par une ou plusieurs histones méthyltransferases (HMTs), rendant difficile la description de leurs rôles respectifs. Chez la Drosophile, H3K36me2 est spécifiquement catalysé par Mes-4/dNSD1 qui serait recrutée aux bordures de domaines par les insulateurs. En revanche, HypB/SETD2 déposerait du H3K36me3 co-transcriptionnellement sur les gènes. Les déplétions de Mes-4/dNSD1 et HypB/SETD2 induisent des augmentations de H3K27me3 de façon spécifique, causant la répression de gènes. Ces résultats indiquent que les deux HMTs Mes-4/dNSD1 et HypB/SETD2 protègent les gènes d'une répression par H3K27me3 de façon indépendante. De manière intéressante, nos résultats montrent que le rôle spécifique de ces HMTs est dépendant du contexte topologique de la chromatine. En effet, Mes-4/dNSD1 protège les gènes de l'euchromatine au bord des TADs associés à des insulateurs, alors que HypB/SETD2 repousse H3K27me3 sur les gènes actifs situés sur les bordures hétéro euchromatine sans insulateur. Dans un second manuscrit, nous avons amélioré des outils de visualisation des interactions long-distances (LRIs) présentes dans les matrices de contacts Hi-C via la quantilisation des fréquences de contacts. Nous avons développé une méthode basée sur la visualisation par agrégation permettant l'analyse de LRIs asymétriques telles que présentes dans les contacts enhancer-promoteur et insulateur-promoteur, en orientant les sous matrices avant l'agrégation. Notre méthode peut distinguer de façon efficace les insulateurs des enhancers, basée sur la caractérisation de fuites des contacts. La déplétion de l'insulateur CTCF a permis de confirmer l'existence de ces fuites de contacts. Nous avons également pu détecter, par la quantification du signal Hi-C à l'échelle de locus unique, que ces fuites surviennent spécifiquement aux sites de liaison de CTCF. Ainsi notre méthode permet une compréhension de la contribution des insulateurs et des facteurs associés à la régulation des LRIs.

Chromatin is the template of transcriptional programs and gene expression regulations. Chromatin based regulations involve crosstalks between transcriptional activity with histone modifiers or modifications, binding of transcription factors to enhancers and promoters, or of architectural proteins to insulators, and chromatin topology. Genome is subdivided in euchromatin and heterochromatin domains. Euchromatin is mostly associated with active genes and enriched in H3K36 and H3K4 methylations while heterochromatin, contributing to genes silencing, is enriched in H3K27me3 when facultative heterochromatin or H3K9me3 when pericentromeric or telomeric heterochromatin. On top of this linear organisation, chromatin is further folded in topologically associated domains (TADs) and compartments that cluster spatially, which lead to the clustering of chromatin domains that share similar functions. Insulators are anchors that regulate chromatin topology by creating or stabilizing loops isolating TADs from each other. Evidences demonstrate that both chromatin state and topological structures can influence or dictate gene expression, and conversely, chromatin is modified by transcription-coupled processes and transcription factories may participate to the formation of compartments. Whether global rules govern such crosstalks at the genome-wide levels, remain unclear. Moreover, whether some kind of hierarchy exists among such influences of chromatin related processes remains poorly understood. During my thesis, I have analysed the respective influence of both H3K36 di-methylation and tri-methylation in maintaining euchromatin domains. I have further contributed to the development of a computational method aiming to understand the role of insulators. H3K36me2 and me3 are both enriched in euchromatin domains and are reported to globally counteract repressive H3K27me3 deposition; however, it is unclear whether di-methylation is sufficient for this blocking or is just an intermediary stage for tri-methylation. Those modifications are ensured by unique or multiple histone methyltransferases (HMTs), depending on species, which can hinder the characterisation of their respective roles. In Drosophila, H3K36me2 is specifically done by Mes-4/dNSD1 that is thought to be recruited at domain borders via insulators. In contrast, HypB/SETD2 may decorate genes with H3K36me3 co-transcriptionnally. Depletions of either Mes-4/dNSD1 or HypB/SETD2 lead to specific increases of H3K27me3, causing genes repression. These results indicate that both Mes 4/dNSD1 and HypB/SETD2 are able to protect genes from H3K27me3 spreading independently of each other. Of interest, our results highlight that a specific role of each of these HMTs depends on chromatin topological contexts. Mes-4/dNSD1 protects euchromatin genes at insulator-associated TAD borders while HypB/SETD2 repels H3K27me3 on active genes located on fuzzy hetero-euchromatin borders lacking insulator anchoring. In a second manuscript, we have developed tools to visualize long-range interactions (LRIs) detected in Hi-C contact maps to improve the detection of LRIs through quantilization of contact frequencies. We further developed Hi-C aggregation plots to enable the analysis of asymmetric LRIs such as enhancer-promoter or insulator-promoter contacts, by orientating the sub-matrices before aggregation. Our method allows to accurately distinguish insulators from enhancers depending on surrounding Hi-C contacts with potential ''leaks'' when LRIs are not block by an insulator. Depletion of CTCF confirms the existence of such leaks. Quantification of the Hi-C signal at single-locus levels allows LRIs detection, confirming that leaks occurring upon CTCF depletion are specific to CTCF binding sites. Thus, our method provides a comprehensive detection of differential LRIs surrounding insulators, rendering possible discoveries regarding insulators, mechanisms and associated factors.