Étude du rôle de l'organisation tridimensionnelle du génome sur la régulation transcriptionnelle des gènes

Unraveling the Role of 3D Genome Architecture on Transcriptional Gene Regulation

• Auteur / Autrice : Olivier Messina
• Direction : Marie Schaeffer, Marcelo Nollmann
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie Santé
• Date : Soutenance le 12/12/2023
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Chimiques et Biologiques pour la Santé (Montpellier ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de Biologie Structurale (Montpellier)
• Jury : Président / Présidente : Daniel Jost
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Darío Jesús Lupiáñez García, Antoine Coulon
• DOI : 10.70675/f0ba6a49zd168z46e6zbec6zd576d815fbe0

Mots clés

Mots clés contrôlés

Génomique

Chromatine

Drosophila suzukii

Mots clés libres

Imagerie unicellulaire

Architecture de la chromatine

Génomique spatiale

Tissus de mammifères

Drosophile

Single-Cell Imaging

Chromatin Architecture

Spatial Genomics

Mammalian Tissues

Drosophila

Résumé

Dans le noyau des cellules eucaryotes, la molécule d'ADN, qui porte l'information génétique, s'associe avec des protéines telles que les histones pour former la chromatine. Au cours de la dernière décennie, les techniques de ''capture de la conformation des chromosomes'' ont révélé que la chromatine était organisée de manière hiérarchique en domaines physiques appelés TADs (Topologically Associating Domains, en anglais). Les TADs jouent un rôle clé dans la régulation génique en facilitant les interactions physiques entre les gènes et leurs éléments régulateurs tels que les enhancers, les promoteurs et les insulateurs. Cependant, les mécanismes moléculaires et les facteurs impliqués dans la formation de ces structures pendant le développement embryonnaire, ainsi que leur influence sur l'activation et la répression des gènes dans les tissus différenciés, demeurent mal compris. L'objet de ces travaux est d'étudier le rôle de certains facteurs dans l'établissement des interactions entre les gènes et leurs éléments régulateurs afin de mieux comprendre leur impact sur la régulation de la transcription chez la drosophile. Pour ce faire, nous avons utilisé des approches de bioinformatique et une technique de microscopie avancée (Hi-M). Grâce à ces outils novateurs, nous avons pu mettre en évidence l'importance des protéines insulatrices, dite de ''Classe I'', dans la mise en place de ces interactions au cours du développement embryonnaire chez la drosophile. Nous avons montré que les interactions entre les régions liées par les protéines insulatrices de Classe I étaient peu fréquentes et principalement observées en paire, et que leur formation précédait l'émergence des TADs au cycle nucléaire 14. Par la suite, nos recherches se sont penchées sur le rôle de ces interactions entre les gènes et leurs éléments régulateurs au sein des tissus différenciés chez les mammifères. Pour cela, nous avons généré des données Hi-M et nous avons développé un nouvel outil de machine learning permettant la décomposition de la structure de la chromatine en unités fondamentales, que nous avons nommées ''Motifs de Pliage de la Chromatine'' (Chromatin Folding Motifs, en anglais). Cela nous a permis de montrer qu'un ensemble de motifs CFMs était essentiel pour expliquer la structure d'un locus spécifique. En conséquence, nous avons pu démontrer que l'architecture tridimensionnelle varie non seulement d'un tissu à l'autre, mais également d'un sous-type cellulaire à l'autre en ajustant la proportion d'un même ensemble de CFMs. Finalement, nous avons également montré que l'architecture 3D était affectée lors de la genèse de maladies telles que le diabète de type II. Dans l'ensemble, ces études ont pour but d'ouvrir de nouvelles perspectives pour appréhender les mécanismes à l'œuvre dans l'organisation du génome en 3D.

In the nucleus of eukaryotic cells, the DNA molecule, that carries genetic information, associates with proteins such as histones to form chromatin. Over the past decade, techniques known as ''chromosome conformation capture'' have revealed that chromatin is hierarchically organised into physical domains called Topologically Associating Domains (TADs). TADs play a critical role in gene regulation by facilitating physical interactions between genes and their regulatory elements such as enhancers, promoters, and insulators. However, the molecular mechanisms and factors involved in the formation of these structures during embryonic development, as well as their influence on gene activation and repression in differentiated tissues, remain poorly understood. In this study, we investigated the role of certain factors in establishing interactions between genes and their regulatory elements to better understand their impact on transcriptional regulation in Drosophila. To do this, we used bioinformatic approaches and an advanced microscopy technique (Hi-M). These innovative tools allowed us to highlight the importance of Class I insulator proteins in mediating these interactions during embryonic development in Drosophila. We were able to show that interactions between regions bound by Class I insulator proteins are rare, mainly observed in pairs, and that their formation precedes the emergence of TADs during the nuclear cycle 14. Subsequently, our research focused on the role of interactions between genes and their regulatory elements in differentiated tissues in mammals. To this end, we produced Hi-M data and developed a novel machine-learning tool to decompose chromatin structure into fundamental units, which we termed ''Chromatin Folding Motifs'' (CFMs). This allowed us to show that a set of CFMs is essential for explaining the structure of a given locus. As a result, we were able to show that the three-dimensional architecture varies not only between tissues, but also between different cell-types by adjusting the proportion of the CFMs. Finally, we showed that 3D architecture is affected during the onset of diseases such as type II diabetes. Collectively, these studies aim to open new perspectives for understanding the mechanisms involved in 3D genome organisation.