Caractérisation de l'organisation tridimensionnelle des chromosomes chez l’organisme holocentrique Bombyx mori

Characterizing the 3D organization of holocentric chromosomes in Bombyx mori

• Auteur / Autrice : José Gil Jr
• Direction : Ines Anna Drinnenberg
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génétique et génomique
• Date : Soutenance le 25/11/2022
• 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-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Institut Curie (Paris ; 1978-....)
• Jury : Président / Présidente : Valérie Borde
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ines Anna Drinnenberg, Thomas Sexton, Daan Noordermeer, Héloïse Muller, Marc Lavigne
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Thomas Sexton, Daan Noordermeer

Mots clés

Mots clés libres

Holocentrique

Génomique

Compartiments

Hi-C

ChIP-Seq

RNAi

Holocentric

Genomics

Compartments

Hi-C

ChIP-Seq

ARNi

Résumé

L'organisation du génome dans le noyau cellulaire a été observée et décrite dans différents organismes depuis plus de 140 ans. La plupart des organismes où cela a été fait sont monocentriques, c’est-à-dire dont les chromosomes n’ont qu’un seul centromère. Il a été montré que les centromères contraignent fortement l'architecture des chromosomes en interphase, et j'ai contribué lors de ma thèse à l’écriture d’une revue décrivant ce phénomène (Muller et al., 2019). Cependant, à travers l'Arbre de la Vie eucaryote, on peut trouver plusieurs exemples d'organismes qui sont holocentriques, c’est-à-dire qui ont plusieurs centromères distribués sur toute la longueur de leurs chromosomes. Pour étudier l'impact des centromères sur ce type de chromosomes, nous avons choisi comme organisme modèle le ver à soie, Bombyx mori. Bien que les chromosomes holocentriques de B. mori aient fait l'objet d'études décrivant l'organisation et la formation de leurs centromères et kinétochores (Cortes-Silva et al., 2020 ; Senaratne et al., 2021), l'organisation de leur génome reste à décrire. Ma thèse vise à caractériser l'organisation du génome de B. mori en utilisant des techniques basées sur le séquençage et des approches bioinformatiques sur deux systèmes expérimentaux.Dans la première partie de ma thèse, j'ai utilisé une combinaison de données Hi-C et ChIP-Seq d'embryons de B. mori pour identifier et caractériser les caractéristiques de l'organisation du génome. En utilisant les techniques Hi-C, j'ai produit des cartes de contact pour les 28 chromosomes de l'assemblage du génome de B. mori et j'ai pu montrer que les chromosomes de B. mori établissent des contacts peu fréquents entre eux, ce qui donne lieu à des territoires chromosomiques forts. J'ai ensuite combiné ces données Hi-C avec des ensembles de données ChIP-Seq correspondant à plusieurs marques épigénétiques de l'embryon de B. mori afin de définir et de caractériser les compartiments chromosomiques. Cette étude a révélé que les chromosomes de B. mori sont organisés en trois compartiments à l'échelle du génome : A, B et X. Les compartiments A et B de B. mori rappellent ceux décrits pour la première fois dans les chromosomes humains. Le compartiment X est composé de régions très compactes et pauvres en gènes qui n'interagissent ni avec les deux autres compartiments, ni avec des compartiments similaires sur le même chromosome. Ces résultats sont inclus dans une étude à laquelle j'ai participé et qui décrit l'organisation du génome des embryons de B. mori (Muller et al., en cours).Dans la deuxième partie de ma thèse, je me suis tourné vers les lignées cellulaires de B. mori afin de déterminer certains des facteurs contribuant à cette organisation du génome. Pour ce faire, j'ai utilisé l'ARN interférence pour perturber les centromères, les cohésines et les condensines, dont l'impact sur l'organisation du génome a été démontré chez d'autres organismes. J'ai acquis des données Hi-C, profilé différentes marques épigénétiques dans chaques conditions, et montré que les centromères et les complexes SMC jouent un rôle dans l'organisation du génome de B. mori, la cohésine et la condensine II ayant des effets opposés sur le repliement des chromosomes à courte et longue distance. Pour analyser correctement ces données, j'ai développé des outils bioinformatiques pour tenir compte de la nature holocentrique des chromosomes de B. mori. J'ai également eu l'occasion de mettre mes compétences en bioinformatiques au service d'une collaboration portant sur l'appariement méiotique des chromosomes de B. mori (Rosin et al., 2021). Ensemble, en utilisant Hi-C et ChIP-Seq et en effectuant l'analyse bioinformatique des deux, j'ai pu décrire pour la première fois l'organisation du génome de B. mori et caractériser les rôles des facteurs qui y contribuent.

The genome’s organization within the cell nucleus has been observed and described in various different organisms for over 140 years. Most of the organisms where this has been done are monocentric, or organisms that have chromosomes with a single centromere. Studies have shown that centromeres strongly constrain the architecture of chromosomes in interphase and during my thesis, I contributed to a review describing this phenomenon (Muller et al., 2019). However, across the eukaryotic tree of life you can find several examples of organisms that are holocentric, or organisms that have centromeres distributed along the entire length of their chromosomes. To study the impact of centromeres on these types of chromosomes, we choose the silkworm, Bombyx mori, as our model organism. Although the holocentric chromosomes of B. mori have been subjects of studies describing the organization and formation of their centromeres and kinetochores (Cortes-Silva et al., 2020; Senaratne et al., 2021), their genome organization has yet to be described. My thesis aims at characterizing the genome organization of B. mori with the use of sequencing-based techniques and bioinformatic approaches on two experimental systems.In the first part of my thesis I used a combination of Hi-C and ChIP-Seq data from B. mori embryos to identify and characterize genome organizational features. Using Hi-C, I produced contact maps for all 28 chromosomes of the B. mori genome assembly and I was able to show that B. mori chromosomes make infrequent contacts between themselves resulting in strong chromosome territories. I then combined this Hi-C data with ChIP-Seq data sets corresponding to several B. mori embryo epigenetic marks in order to define and characterize chromosome compartments. This study revealed that B. mori chromosomes are organized into three genome-wide compartments: A, B and X. The A and B compartments in B. mori are reminiscent of those first described in human chromosomes. The X compartment is composed of highly compact, gene-poor regions that do not interact with the other two compartments, nor with like compartments on the same chromosome. These findings are included in a study that I was a part of describing the genome organization of B. mori embryos (Muller et al., in progress).In the second part of my thesis I turned to B. mori cell lines in order to determine some of the factors contributing to this genome organization. In order to do this, I used RNAi to perturb centromeres, cohesins and condensins which have been shown to have an impact on genome organization in other organisms. I acquired Hi-C data and profiled different epigenetic marks in each condition and show that centromeres and SMC complexes play a role in B. mori genome organization with cohesin and condensin II having opposite effects in short- and long-range chromosome folding. To properly analyze this data, I developed bioinformatic tools to account for the holocentric nature of B. mori chromosomes. I even had the chance to contribute my bioinformatic skill set to a collaboration studying meiotic pairing of B. mori chromosomes (Rosin et al., 2021). Taken together, using Hi-C and ChIP-Seq and performing the bioinformatic analysis of both, I was able to describe for the first time the genome organization of B. mori and characterize the roles of factors contributing to it.