Interactions épigénétiques dans l'ovocyte murin.

Chromatin mark interplays in the mammalian oocyte

• Auteur / Autrice : Lorraine Bonneville
• Direction : Déborah Bourc'his
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie cellulaire et biologie du developpement
• Date : Soutenance le 13/09/2022
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Frontières de l'innovation en recherche et éducation (Paris ; 2006-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Génétique et biologie du développement (Paris ; 2009-....)
• Jury : Président / Présidente : Pierre-Antoine Defossez
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre-Antoine Defossez, Kikuë Tachibana, Robert Feil, Marie-Emilie Terret, Patricia Galasso-Fauque
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Kikuë Tachibana, Robert Feil

Mots clés

Mots clés contrôlés

Développement embryonnaire et foetal

Développement embryonnaire

Méthylation de l'ADN

Embryologie

Épigénétique

Ovogenèse

Mots clés libres

Methylation de l'ADN

Polycomb

H3K4me3

Ovogénèse

Développement pré-Implantatoire

Transmission épigénétique maternelle

Activation génome embryonnaire

Cut&run

DNA methylation

Polycomb

H3K4me3

Oocyte

Preimplantation development

Maternal epigenetic inheritance

Zygotic genome activation

Cut&run

Résumé

Les cellules germinales ont la capacité unique de transmettre à la descendance non seulement le matériel génétique mais aussi une information dite épigénétique. Au cours de l'ovogenèse, l'épigénome des futurs gamètes femelles est extensivement reprogrammé : les marques somatiques sont effacées et un profil chromatinien spécifique à l'ovocyte est établi. Après fécondation, les marques chromatiniennes portées par l'ovocyte peuvent perdurer au moins pendant les premiers jours du développement préimplantatoire. Comment ces profils chromatiniens maternels influencent le programme transcriptionnel embryonnaire et les phénotypes est un intense domaine de recherche. L'ovocyte est connu pour être le théâtre d'interactions inhabituelles entre marques chromatiniennes : de leur relations complexes émerge un paysage chromatinien unique, dont l'assemblage influence l'expression des gènes et la capacité d'être transmis à l'embryon. En particulier, deux marques chromatiniennes répressives -la méthylation de l'ADN et la triméthylation de la lysine 27 de l'histone H3 (H3K27me3)- montrent une distribution en miroir qui est transmise à l'embryon. Cependant, alors que leur antagonisme fonctionnel est bien documenté dans les cellules somatiques, la nature de leurs interactions et leur impact mutuel sur le développement de l'ovocyte et de l'embryon précoce étaient inconnus. Au cours de mon doctorat, j'ai étudié les déterminants et les fonctions de la méthylation de l'ADN et de H3K27me3 dans l'héritage épigénétique maternel. Tout d'abord, en analysant les caractéristiques chromatiniennes d'ovocytes dépourvus de méthylation de l'ADN (en utilisant le modèle mutant Dnmt3L) ou H3K27me3 (en utilisant le modèle EedcKO) par des méthodes cytologiques et moléculaires, j'ai révélé de nouvelles interactions spécifiques de l'épigénome ovocytaire. J'ai montré que les mécanismes classiques de compensation, observés dans les cellules somatiques entre H3K27me3 et la méthylation de l'ADN, ne s'appliquent pas à l'ovocyte. Les ovocytes Dnmt3LKO présentent en effet une perte générale de l'enrichissement en marques Polycomb, H3K27me3 et H2Aub. Ceci dévoile un mode d'interaction positif entre la méthylation de l'ADN dépendante de DNMT3L et la dynamique des marques Polycomb dans l'ovocyte. A l'inverse, une accumulation en marques H3K4me3 est observée dans les ovocytes Dnmt3LKO, résultant de l'envahissement des régions normalement méthylées, démontrant un rôle de la méthylation de l'ADN dans la protection des régions riches en CG contre la déposition ectopique de H3K4me3. Alors que le remodelage du patrimoine chromatinien maternel résultant de l'absence de méthylation de l'ADN semble avoir peu de conséquences sur le développement ovocytaire, nous avons montré qu'il a un impact sur l'activation du génome zygotique après fécondation. En effet, une activité transcriptionnelle excessive est observée dans les zygotes Dnmt3LmatKO. Cette augmentation de la production d'ARN est associée à un retard de développement et à une capacité diminuée de l'embryon à s'implanter. Dans l'ensemble, mon travail a démontré une nouvelle fonction de la méthylation de l'ADN comme régulateur général du paysage chromatinien maternel, avec des conséquences sur le développement préimplantatoire. Ils ont permis de mieux comprendre la complexité et l'importance du patrimoine épigénétique maternel dans le contrôle de l'activation du génome zygotique.

Germ cells have the unique ability to transmit not only the genetic material but also epigenetic information to the progeny. During oogenesis, the epigenome of future female gametes is extensively reprogrammed: somatic patterns are erased and an oocyte-specific chromatin landscape is acquired. After fertilization, the oocyte epigenetic information can persist at least during the first days of preimplantation development. Whether maternally-inherited chromatin patterns can influence the transcriptional program and the phenotype of the progeny is an intense area of research. The oocyte is known to be the theater of unusual chromatin interplays: the sum of attractive and repulsive feedbacks between chromatin marks seems to rule their precise targeting, their role in regulating gene expression and their transmission to the embryo. In particular, two repressive chromatin marks -DNA methylation and trimethylation of histone H3 lysine 27 (H3K27me3)- show mirror distribution patterns, which are transmitted to the preimplantation embryo. However, while known for their functional antagonism in somatic cells, the nature of their relationship and their mutual impact on oocyte and preimplantation development remained unknown. In particular, while maternal DNA methylation inheritance has been extensively studied in the context of maternal imprinting and post-implantation development, its role, prior to reprogramming, in zygotic genome activation (ZGA) and pre-implantation development had never been studied. During my PhD, I therefore investigated the determinants and functions of DNA methylation and H3K27me3 in shaping the maternal epigenetic heritage. First, by analysing the chromatin features of wild-type and mutant oocytes for either DNA methylation (using the Dnmt3L mutant model) or H3K27me3 (using the EedcKO model) by both cytological and molecular means, I discovered novel interplays in the oocyte epigenome. I showed that the classical compensation mechanisms observed in somatic cells between H3K27me3 and DNA methylation do not apply to oocytes. In contrast, DNA methylation-free oocytes displayed genome-wide reduction in Polycomb marks, both H3K27me3 and H2Aub. This unveils an unsuspected positive link between DNMT3L-dependent DNA methylation and Polycomb dynamics, whose origin and significance require further study. In parallel, I found H3K4me3 to accumulate at normally hypermethylated regions in Dnmt3LKO oocytes, demonstrating a role for DNA methylation in protecting CG-rich regions against ectopic H3K4me3 invasion. While these multiple chromatin changes seem to have little impact on the oocyte developmental program itself, I showed that it impacts ZGA fine-tuning after fertilization. I observed an excessive transcriptional activity during the minor wave of ZGA in Dnmt3LmatKO zygotes. This increase in RNA production was associated with a developmental delay and a decrease in embryo implantation rate. As a whole, my work demonstrated a novel function of DNA methylation as a master regulator of the maternal chromatin landscape, with consequences on preimplantation development. It allowed to gain insights into the complexity and importance of maternal epigenetic heritage in the control of zygotic genome activation.