Dynamique des variants d’histones H3.1 et H3.3 dans leur localisation au niveau des chromocentres au cours du cycle cellulaire et de la différenciation dans le modèle murin

Dynamics of H3.1 and H3.3 histone variants at mouse chromocenters during cell cycle and differentiation

• Auteur / Autrice : Stefano Arfè
• Direction : Geneviève Almouzni, Jean-Pierre Quivy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie cellulaire et développement
• Date : Soutenance le 16/09/2022
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Complexité du vivant (Paris ; 2009-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Dynamique du noyau (Paris ; 2014-....) - Dynamique du noyau [Institut Curie]
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Institut Curie (Paris ; 1978-....)
• Jury : Président / Présidente : Emmanuelle Fabre
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Geneviève Almouzni, Jean-Pierre Quivy, Aline Probst, Saadi Khochbin, Daniele Fachinetti
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Aline Probst, Saadi Khochbin

Mots clés

Mots clés libres

Dynamique de la chromatine

Chaperones d'histone

Variants d'histone

Cellules souches embryonnaires

Chromocentre

Chromatin Dynamics

Histone chaperones

Histone variants

ES cells

Chromocenter

Résumé

Dans les cellules eucaryotes, l'ADN est organisé en un complexe nucléo-protéique, la chromatine. Des changements dans l'organisation de la chromatine, de son unité de base, le nucléosome, jusqu'à des niveaux plus élevés dans des domaines nucléaires, ont été associés à des états distincts au cours du cycle cellulaire ainsi qu'au cours de transitions du destin cellulaire. Au cours de ma thèse de doctorat, j'ai exploré la présence de deux variants différents de l'histone H3, le variant réplicatif H3.1 et le variant de remplacement H3.3, aux domaines d'hétérochromatine péricentrique (PHC) et la manière dont leur équilibre est contrôlé tout au long de la différenciation des cellules souches embryonnaires (ES) de souris. Pour cela, j'ai combiné des approches d'imagerie et de séquençage à l'échelle du génome. Tout d'abord, j'ai observé par imagerie un enrichissement de H3.1, au détriment de H3.3, dans les domaines PHC. Cet enrichissement en H3.1 se révèle tout particulièrement pendant la réplication des domaines PHC et est plus fréquent dans les cellules différenciées que dans les cellules pluripotentes. En parallèle, H3.3 est exclu de ces sites pendant la réplication. En réalisant la cartographie de ces variants à l'échelle du génome par séquençage, j'ai identifié un enrichissement spécifique de H3.1 au niveau des répétitions satellites majeures, qui représentent les séquences d'ADN principales correspondant aux PHC tout au long de la différenciation. D’un point de vue mécanistique, j'ai démontré que des substitutions d’acides aminés dans le motif de H3.1, qui est clé pour l’interaction avec son chaperon d'histone dédié CAF-1, affectent l’enrichissement de H3.1 aux domaines PHC. Cependant, en ciblant le chaperon d'histone HIRA aux domaines PHC, j’ai pu forcer le dépôt de H3.3 dans ces domaines et ainsi interférer avec l'accumulation de H3.1 dépendante du cycle cellulaire. Sur la base de ces résultats, je propose un modèle dans lequel l'enrichissement local de H3.1 dans les domaines PHC résulte d'une accumulation par la voie d’incorporation dans la chromatine couplée à la réplication qui n'est pas contrecarrée par le dépôt de H3.3. Je discute de l’impact de ces voies d’assemblage des variants de l’histone H3 sur l’organisation des domaines subnucléaires PHC en lien avec le maintien du destin cellulaire et la stabilité des chromosomes.

In eukaryotic cells, DNA is organized in a nucleo-protein complex, named chromatin. Changes in chromatin states and organization, from its basic unit, the nucleosome, up to higher levels in nuclear domains, have been associated with distinct states during the cell cycle as well as during cell fate transitions. During my PhD thesis, I explored the presence of two different histone H3 variants, the replicative H3.1 and the replacement H3.3 variant, at pericentric heterochromatin (PHC) domains and how their balance is controlled throughout differentiation of mouse embryonic stem (ES) cells. For this, I combined genome-wide and imaging approaches. First by imaging, I observed a consistent enrichment of H3.1, at the expense of H3.3, at PHC domains. This H3.1 enrichment is highly prevalent as PHC domains replicate and is more pronounced in differentiated rather than in pluripotent cells. Using genome-wide mapping of the variants combined with sequencing, I could identify a specific enrichment of H3.1 at major satellite repeats, which represent the main DNA sequences corresponding to PHC, throughout differentiation. Mechanistically, I revealed that substitutions of amino acids within the histone fold domain of H3.1, that is key for its interaction with the dedicated histone chaperone CAF-1 (Chromatin Assembly Factor), impinge on the enrichment of H3.1 at PHC domains. However, by targeting the histone chaperone HIRA (Histone Regulator A) at PHC domains, I could force H3.3 deposition at these sites and thereby interfering with the cell-cycle dependent accumulation of H3.1. Based on these results, I propose a model in which the local enrichment of H3.1 at PHC domains results from an enhanced provision through the replication coupled deposition pathway that is not counteracted by H3.3 deposition via the non-replicative deposition pathways. I thus discuss how the deposition and maintenance of H3 variants can influence the higher-order chromatin structure at the PHC domains in the context of cell fate and chromosome stability.