Mécanismes de régulation de l'expansion des boucles de chromatine par le complexe cohésine

Mechanisms regulating the expansion of chromatin loops by the cohesin complex

• Auteur / Autrice : Nathalie Bastié
• Direction : Frédéric Beckouët
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génétique moléculaire
• Date : Soutenance le 22/09/2023
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Biologie Santé Biotechnologies (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Unité de biologie moléculaire, cellulaire et du développement (Toulouse ; 2021-....)
• Jury : Président / Présidente : Kerstin Bystricky
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Beckouët, Kerstin Bystricky, Jean-Paul Javerzat, Valérie Borde, Angela Taddei, Sabine Vaur, Sylvie Tournier-Gachet, Armelle Lengronne
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Paul Javerzat, Valérie Borde

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transcription génétique

Cohésine

Chromatine

Mots clés libres

Cohésine

Organisation du génome

Boucles de chromatine

Saccharomyces cerevisiae

Cycle cellulaire

Transcription

Cohesin

Genome organization

Chromatin's loops

Saccharomyces cerevisiae

Cell cycle

Transcription

Résumé

L'organisation spatiale de la chromatine dans le noyau est un élément clé dans la régulation de nombreux processus cellulaires tels que la transcription, la réparation des cassures de l'ADN et la réplication. Un des acteurs majeurs de cette organisation est la cohésine, un complexe protéique en forme d'anneau composé de 3 sous-unités Smc3, Smc1 et Scc1/Rad21. Son chargement sur l'ADN dépend du facteur Scc2. L'acétylation de Smc3 par l'acétyltransférase Eco1 permet sa stabilisation sur la chromatine tandis que les protéines Pds5 et Wpl1 participent à sa dissociation. L'anneau de cohésine a été initialement identifié pour son rôle dans la cohésion des chromatides sœurs essentielle à la ségrégation correcte des chromosomes lors de la mitose. Plus récemment, il a été montré que l'anneau de cohésine est également essentiel à la formation des boucles de chromatine nécessaire à l'organisation tridimensionnelle du génome. Le modèle d'extrusion de boucle propose que la cohésine piège dans son anneau une petite boucle de chromatine et l'agrandisse progressivement en extrudant l'ADN jusqu'à être stoppée ou jusqu'à se dissocier. Ces boucles d'ADN régulent la transcription des gènes en modulant l'association entre les promoteurs et les séquences distales régulatrices. Des études récentes ont également révélé que les boucles dépendantes des cohésines sont également impliquées dans la recombinaison V(D)J. De récentes études in vitro ont confirmé l'existence du mécanisme d'extrusion de boucle en démontrant que la cohésine humaine purifiée est capable de former des boucles de chromatine et de les étendre progressivement. Cette extrusion de boucle est possible grâce à l'activité ATPasique de la cohésine stimulée par la protéine Scc2. Cependant les mécanismes régulant l'expansion et le maintien de ces boucles en cellules vivantes restent encore à ce jour peu décrits. Durant cette étude, nous avons pu montrer par des approches de génomiques (Hi-C, ChIP-seq) couplées à de la génétique de levure, que l'expansion des boucles de chromatine par les cohésines est également stimulée par Scc2 en cellules vivantes. Nous avons également révélé que cette expansion est contrecarrée par la stabilisation de Pds5 via l'acétylation des deux lysines K112 et K113 de Smc3. Nous nous sommes ensuite intéressés à la relation qu'il pouvait exister entre les cohésines. En effet, Lors de la phase G2/M, deux populations de cohésines cohabitent sur l'ADN, des cohésines engagées dans la cohésion des chromatides sœurs et des cohésines associées de manière dynamique à l'ADN capable d'extruder de l'ADN. Nous avons montré qu'une cohésine stable est capable de bloquer l'expansion des boucles de chromatine médiée par une cohésine super extrusive. Ce résultat suggère que la cohésion des chromatides sœurs peut être une barrière à l'extrusion de boucle. Enfin, dans une dernière partie, nous nous sommes intéressés au lien existent entre la transcription et l'organisation du génome par les cohésines. En effet, des études antérieures ont permis de mettre en évidence que la transcription pouvait influencer la translocation et le positionnement des cohésines. Nous avons montré que la transcription est capable d'influencer l'organisation du génome de manière dépendante et indépendante des cohésines. L'activation des gènes GAL permet d'inhiber la translocation des cohésines et peut repositionner les boucles de chromatine le long des chromosomes. Les mutations des sous-unités des cohésines et de ses cofacteurs entrainent des dérégulations de l'organisation 3D du génome qui peuvent conduire à des cancers ou des maladies du développement. Il est essentiel de comprendre les mécanismes régulant la formation, l'expansion et le maintien des boucles de chromatine par les cohésines. Cette étude permet une avancée conséquente dans la compréhension des mécanismes d'expansion et de positionnement des boucles de chromatine par le complexe cohésine.

The spatial organisation of chromatin in the nucleus is a key element in the regulation of numerous cellular processes such as transcription, DNA repair and replication. One of the major players in this organisation is cohesin, a ring-shaped protein complex composed of 3 subunits: Smc3, Smc1 and Scc1/Rad21. Its loading onto DNA depends on the Scc2 factor. Acetylation of Smc3 by the acetyltransferase Eco1 stabilises it on the chromatin, while the proteins Pds5 and Wpl1 help dissociate it. The cohesin ring was initially identified for its role in sister chromatid cohesion, essential for the correct segregation of chromosomes during mitosis. More recently, it has been shown that the cohesin ring is also essential for the formation of chromatin loops required for the three-dimensional organisation of the genome. The loop extrusion model proposes that cohesin entraps a small loop of chromatin in its ring and progressively enlarges it by extruding DNA until it is stopped or until it dissociates. These DNA loops regulate gene transcription by modulating the association between promoters and distal regulatory sequences. Recent studies have also revealed that cohesin-dependent loops are also involved in V(D)J recombination. Recent in vitro studies have confirmed the existence of the loop extrusion mechanism by demonstrating that purified human cohesin is capable of forming chromatin loops and progressively extending them. This loop extrusion is made possible by the ATPase activity of cohesin stimulated by the Scc2 protein. However, the mechanisms regulating the expansion and maintenance of these loops in living cells remain poorly described. During this study, we were able to show, using genomic approaches (Hi-C, ChIP-seq) coupled with yeast genetics, that the expansion of chromatin loops by cohesins is also stimulated by Scc2 in living cells. We also revealed that this expansion is counteracted by the stabilisation of Pds5 via acetylation of the two Smc3 lysines K112 and K113. We then looked at the interplay between cohesins. During the G2/M phase, two populations of cohesins coexist on the DNA, cohesins involved in sister chromatid cohesion and cohesins dynamically associated with the DNA capable of extruding DNA. We have shown that a stable cohesin is able to block the expansion of chromatin loops mediated by a super extrusive cohesin. This result suggests that sister chromatid cohesion may be a barrier to loop extrusion. Finally, we looked at the link between transcription and genome organisation mediated by cohesins. Previous studies have shown that transcription can influence the translocation and positioning of cohesins. We have shown that transcription is capable of influencing genome organisation in a cohesin-dependent and cohesin-independent manner. Activation of GAL genes inhibits cohesin translocation and can reposition chromatin loops along chromosomes. Mutations in cohesin subunits and their cofactors lead to deregulations in 3D genome organisation, which can lead to cancers or developmental diseases. It is essential to understand the mechanisms regulating the formation, expansion and maintenance of chromatin loops by cohesins. This study represents a breakthrough in our understanding of the mechanisms by which the cohesin complex expands and positions chromatin loops.