Caractérisation de la structure et de la dynamique des télomères au cours de la mitose des cellules humaines

Characterization of the structure and dynamic of human telomeres during mitosis

• Auteur / Autrice : Manon Chevalier
• Direction : Laure Crabbé
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la vie et de la santé
• Date : Soutenance le 28/05/2021
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Structure et dynamique des systèmes vivants (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Unité de biologie moléculaire, cellulaire et du développement (Toulouse ; 2021-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Life Sciences and Health (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Sébastien Bloyer
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sébastien Bloyer, Joachim Lingner, Marie-Josèphe Giraud-Panis, Anne Royou, Stéphane Marcand
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Joachim Lingner, Marie-Josèphe Giraud-Panis

Mots clés

Mots clés contrôlés

Biologie moléculaire

Mitose

Télomères (génétique)

Mots clés libres

Télomères

Mitose

TRF1

Shelterin

Organisation de la chromatine

Telomere

Mitosis

TRF1

Shelterin

Chromatin organization

Résumé

La transmission fidèle et de manière équitable de la chromatine entre les deux cellules filles au cours de la division cellulaire mitotique est étroitement contrôlée pour prévenir les erreurs de ségrégation qui pourraient conduire à des événements délétères. Alors que le rôle des centromères dans la régulation de la division cellulaire mitotique a été largement étudié, la dynamique et la structure des télomères en mitose reste largement méconnue chez les eucaryotes supérieurs. Les télomères humains, extrémités naturelles des chromosomes linéaires, consistent en de longues répétitions TTAGGG couverts par un complexe protéique spécifique appelé shelterin qui contrôle la longueur et l'intégrité des télomères. La fonction première des télomères est de délimiter les extrémités des chromosomes, afin d'éviter les réparations illicites de l'ADN qui entraîneraient des fusions de chromosomes, puis une instabilité génomique et une aneuploïdie. De plus en plus de données indiquent que les extrémités des chromosomes jouent un rôle fonctionnel dans la mitose. Notamment, la résolution des télomères des chromatides sœurs se produit via un mécanisme unique, distinct de celui des bras et des centromères, qui repose sur la poly-ADP-Ribosylation de la protéine de télomère TRF1 par la Tankyrase. La cohésion persistante des télomères après déplétion de la Tankyrase empêche les cellules de compléter la mitose, indiquant que les télomères jouent un rôle crucial dans la séparation des chromatides soeurs. L'objectif de ce projet a consisté à étudier les caractéristiques des télomères humains spécifiques de la mitose, afin d’ouvrir la voie à l’étude des mécanismes potentiels par lesquels ils pourraient contribuer à la division cellulaire. Dans ce but, nous avons développé avec succès un crible protéomique spécifique qui a permis d'identifier l'interactome des télomères en mitose. Nous avons identifié 8 interactants potentiels de TRF1 en mitose et la majorité d'entre eux ont une fonction associée à la régulation du fuseau mitotique. De manière importante, nous avons confirmé que l'un d'entre eux, la protéine NuMA, est un partenaire de TRF1 qui régule positivement ses niveaux aux télomères, et cet effet peut être observé tout au long du cycle cellulaire. De manière intéressante, cet impact de NuMA sur les niveaux de TRF1 s'est révélé dépendant de Tankyrase. Nous avons ensuite analysé la dynamique spatio-temporelle des télomères dans des cellules uniques en utilisant une technique de microscopie en temps réel combinée à l'ingénierie CRISPR/Cas9. L'analyse des niveaux de TRF1 endogène au fil du temps a révélé une diminution frappante et drastique des niveaux de TRF1 aux télomères lors de l'entrée en mitose, ce qui constitue une caractéristique des télomères mitotiques non décrite auparavant. Nous avons cherché à identifier les mécanismes qui sous-tendent ce processus et nos résultats plaident contre un rôle de la Tankyrase. Par contre, une corrélation fonctionnelle entre la condensation de la chromatine et la liaison de TRF1 aux télomères est mise en évidence, suggérant que le changement de statut de condensation de la chromatine pourrait être le déclencheur du détachement de TRF1 lors de l'entrée mitotique.

The equal and faithful transmission of chromatin among the two daughter cells during mitotic cell division is tightly controlled to avoid segregation errors that would eventually lead to deleterious outcomes. While the role of centromeres in regulating mitotic cell division has been extensively studied, the mitosis-specific dynamics and structure of telomeres have not been much explored in higher eukaryotes. Human telomeres, the natural ends of linear chromosomes, consist of long arrays of TTAGGG repeats covered by a specific protein complex called shelterin that controls telomere length and telomere integrity. Telomere primary function is to delineate chromosome ends, to avoid illicit DNA repair that would result in chromosome fusions and subsequent genomic instability and aneuploidy. Growing evidence points towards a functional role for chromosome ends in mitosis. Notably, resolution of sister telomeres occurs through a unique mechanism, distinct from arms and centromeres, that relies on the Poly-ADP-Ribosylation of the telomere protein TRF1 by Tankyrase. Persistent telomere cohesion following Tankyrase depletion prevents cells from completing mitosis, indicating that telomeres play a crucial role in sister chromatid separation. The goal of this project has been to investigate the mitosis-specific features of human telomeres, thus opening the way to the study of the potential mechanisms by which they could contribute to cellular division. To that aim, we successfully developed a specific proteomic screen that enabled the identification of mitosis-specific telomere interactome. We uncovered 8 potential mitotic TRF1 interactors and most of them had a described function related to mitotic spindle regulation. Importantly, we confirmed that one of them, the protein NuMA, is a TRF1 partner that positively regulates its levels at telomeres, and this effect can be observed throughout the cell-cycle. Interestingly, this impact of NuMA on TRF1 levels was found to be dependent on Tankyrase 1. We further analyzed the spatio-temporal dynamics of telomeres in single cells using advanced time-lapse microscopy combined with CRISPR/Cas9 engineering. Analysis of endogenous TRF1 levels over time revealed a striking and drastic decrease of TRF1 levels at telomeres upon mitotic entry, which constitutes a previously undescribed feature of mitotic telomeres. We aimed at identifying the mechanisms underlying the process and our current results argue against a role for Tankyrase in the mitotic release of TRF1. Instead, we uncovered a functional correlation between chromatin condensation and TRF1 binding to telomeres, suggesting that change in chromatin condensation status could be the trigger of TRF1 detachment upon mitotic entry.