Influence de l’organisation 3D de la chromatine du BX-C sur le choix de promoteurs alternatifs

3D chromatin organization of the BX-C : its influence on alternative promoter choice

• Auteur / Autrice : Laura Moniot-Perron
• Direction : Daan Noordermeer, Sébastien Bloyer, Benoît Moindrot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la vie et de la santé
• Date : Soutenance le 14/12/2021
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Structure et Dynamique des Systèmes Vivants
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de biologie intégrative de la cellule (Gif-Sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Life Sciences and Health (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Fabienne Malagnac
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nathalie Dostatni, Frédéric Bantignies, Maria Cristina Gambetta
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nathalie Dostatni, Frédéric Bantignies

Mots clés

Mots clés contrôlés

Isolateurs (génétique)

Épigénétique

Promoteurs (génétique)

Gènes homéotiques

Chromatine

Mots clés libres

Organisation 3D de la chromatine

Gènes Hox

Eléments frontières

Usage de promoteurs

Epigénétique

3D genome organization

Hox genes

Boundary elements

Promoter choice

Epigenetics

Résumé

L’expression génique est contrôlée par plusieurs facteurs dont les modifications d’histones, les éléments frontières (EFs) et les protéines insulatrices qui y sont associées ainsi que l’organisation 3D de la chromatine. Pour décrypter les liens entre ces acteurs clefs, nous avons utilisé les gènes Hox de la Drosophile comme modèle. Nous avons comparé plusieurs types cellulaires (disques imaginaux et lignées cellulaires) qui diffèrent par leurs profils d’expression : les disques d’ailes, les cellules S2 and Kc167 sont réprimés pour tous les gènes homéotiques alors que les disques génitaux, les cellules S3 and Sg4 expriment Abd-B. Nous avons confirmé que l’expression des gènes est liée à des modifications d’histones positives comme H3K4me3 et à des changements d’organisation 3D. Quand Abd-B est actif, il se dissocie du reste du cluster réprimé qui est décoré de la marque d’histone négative H3K27me3. De manière inattendue, nous avons constaté que la dissociation d’Abd-B n’est pas équivalente entre les types cellulaires et qu’elle utilisait différents EFs: Fab-7 pour les cellules Sg4, Fab-8 pour les S3 et les deux pour les disques génitaux. De plus, l’utilisation différentielle des EFs corrèle avec l’activation de régions cis-régulatrices d’Abd-B. Cela s’accompagne d’un changement d’expression des promoteurs d’Abd-B entre les cellules S3 et Sg4. Nous avons ensuite comparé l’organisation 3D de la chromatine et l’expression des promoteurs dans des disques génitaux WT et délétés pour l’élément Fab-7 (Fab-7¹). La délétion de Fab-7 induit une augmentation des contacts d’Abd-B avec le reste du BX-C réprimé et une diminution de l’expression globale d’Abd-B, mais pas de changement de l’activité des promoteurs dans la population cellulaire. Nous avons réalisé des expériences de 5’ single cell RNA-seq pour des disques imaginaux WT et Fab-7¹. La délétion de Fab-7 n’induit pas de changements du nombre d’isoformes détéctés dans des cellules uniques mais induisait un changement dans l’utilisation des promoteurs d’Abd-B. Chez les mutants, les promoteurs situés en 3’ sont plus souvent détectés au sein des mêmes cellules. Nos résultats ont montré que les EFs sont étroitement liés au paysage épigénétique, à l’organisation 3D de la chromatine et à l’expression de promoteurs alternatifs.

Gene expression is controlled by several factors including histone modifications, boundary elements (BEs) and their associated insulator proteins as well as 3D chromatin organization. To decipher the links between these key players, we used Drosophila Hox genes as a model. We compared cell types (cell lines or imaginal discs from L3 larva) harboring different transcriptional status for Hox genes: Wing discs, S2 and Kc167 cell lines are repressed for all Hox genes, whereas Genital discs, S3 and Sg4 cell lines express Abd-B. We confirmed that gene expression is associated with active histone modifications such as H3K4me3 and changes in 3D chromatin organization. Indeed, when Abd-B is active, it loops out of the repressed homeotic cluster that is covered by H3K27me3 repressive histone mark. Unexpecting, we found that the Abd-B dissociation was not equivalent between the active cell types and it used different BEs to isolate the active gene from the repressed surroundings namely Fab-7 for Sg4 cells, Fab-8 for S3 cells and both for Genital discs. Moreover, the differential usage of BEs correlates with the activation of distinct cis-regulatory regions that control Abd-B expression. This discrepancy was accompanied by a switch of Abd-B promoter expression between S3 and Sg4 cells. We then compared 3D chromatin organization and promoter expression in WT and Fab-7 deleted (Fab-7¹) Genital discs. We found that deletion of the Fab-7 BE led to increased Abd-B contacts over the repressed BX-C and overall decrease of Abd-B expression, but no changes in promoter expression were detected in cell population. We performed 5’ single cell RNA-seq in WT and Fab-7¹ imaginal discs and showed that BE deletion did not change the number of isoforms expressed but induced a shift of Abd-B promoter usage. In the mutant, promoter towards the 3’ tends to be more often detected in single cells. Together, our results showed that BE are tightly linked to the epigenetic landscape, the 3D chromatin organization and promoter expression.