Activité transcriptionnelle des éléments LINE-1 : de la variabilité naturelle des séquences à leur régulation

Transcriptional activity of LINE-1 elements : from natural sequence variation to regulation

• Auteur / Autrice : Larisa Okorokova
• Direction : Gaël Cristofari
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Interactions moléculaires et cellulaires
• Date : Soutenance le 16/12/2025
• Etablissement(s) : Université Côte d'Azur
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la vie et de la santé (Nice ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de recherche sur le cancer et le vieillissement (Nice)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université Côte d’Azur (Nice ; 2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Pascal Barbry
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pascal Barbry, Severine Chambeyron, Charlotte Proudhon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Severine Chambeyron, Charlotte Proudhon
• DOI : 10.70675/7eb7154bzd967z4446zb58bz61bd638c985e

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rétrotransposons

Transcription génétique

Génome humain

Mots clés libres

Rétrotransposons

Line-1

Contrôle transcriptionnel

Retrotransposons

Line-1

Transcriptional control

Résumé

Les rétrotransposons LINE-1 (ou L1, Long INterspersed Element-1) représentent les seuls éléments génétiques mobiles autonomes encore actifs dans le génome humain. Au cours de l'évolution des mammifères, des familles successives de LINE-1 ont émergé, se sont amplifiées et ont disséminé des milliers de copies à travers le génome. Après intégration, les copies de LINE-1 accumulent progressivement des mutations et deviennent sujettes à des mécanismes de défense épigénétiques de l'hôte en constante évolution, deux facteurs qui contribuent à limiter la transcription et la rétrotransposition de ces élements.A l'échelle évolutive, les éléments LINE-1 n'ont pas seulement été inactivés. Certains ont également été cooptés dans les réseaux de régulation génique de l'hôte, fonctionnant comme promoteurs alternatifs, activateurs, répresseurs et organisateurs de la structure tridimensionnelle du génome, souvent de manière dépendante de leur transcription. La transcription des LINE-1 est assurée par un promoteur interne situé dans leur région 5′ non traduite (UTR), qui présente à la fois des activités sens et antisens. Dans le génome, l'activité transcriptionnelle d'un locus LINE-1 donné dépend fortement du contexte génomique, de l'état épigénétique local et de sa séquence interne. Si le rôle de l'environnement chromatinien dans la modulation de l'expression des LINE-1 a été largement étudié, l'impact des variations de séquence au sein du promoteur sur la compétence transcriptionnelle demeure beaucoup moins connu.Ainsi, l'objectif central de cette thèse a été d'étudier comment la variation de séquence interne façonne l'activité transcriptionnelle des éléments LINE-1 humains. Pour répondre à cette question, nous avons adapté des essais rapporteurs massivement parallèles (MPRA) afin d'évaluer systématiquement l'activité promotrice intrinsèque d'environ 5 000 éléments LINE-1 récents spécifiques aux primates (L1HS à L1PA5), indépendamment de leurs contextes génomiques natifs. Nos analyses ont révélé l'étendue de la diversité parmi les 5′ UTR LINE-1 spécifiques aux hominoïdes, incluant à la fois de petites variations nucléotidiques et une fraction significative de variants structuraux produits par épissage et rétrotransposition de l'ARN LINE-1. Nous avons constaté que la majorité des séquences promotrices LINE-1 de pleine longueur conservent un certain niveau d'activité intrinsèque dans plusieurs lignées cellulaires, la force du promoteur diminuant avec l'âge évolutif des familles. Parmi ces séquences, une fraction substantielle reste aussi active, voire plus active, qu'un LINE-1 de référence ayant conduit à une maladie génétique humaine, L1RP. De plus, nous avons observé que l'équilibre entre les activités promotrices sens et antisens est spécifique du type cellulaire. Enfin, en comparant les séquences promotrices actives et inactives, nous avons identifié des motifs cis-régulateurs et des facteurs de transcription potentiellement impliqués dans la régulation de la transcription LINE-1 dans différents contextes cellulaires. Dans l'ensemble, ces résultats apportent de nouvelles perspectives sur la variation naturelle de l'activité des rétrotransposons LINE-1 et sur les mécanismes moléculaires qui façonnent leur régulation et leur cooptation au sein des réseaux de régulation génique de l'hôte.

Long INterspersed Element-1 (LINE-1 or L1) retrotransposons represent the only autonomously active mobile genetic elements in the human genome. Throughout mammalian evolution, successive LINE-1 families have emerged, expanded, and dispersed thousands of copies across the genome. After integration, LINE-1 copies progressively accumulate mutations and become subject to evolving epigenetic host defense mechanisms, both of which contribute to limiting LINE-1 transcription and retrotransposition.Over evolutionary time, many LINE-1 elements were not only suppressed but also co-opted into host gene-regulatory networks, functioning as alternative promoters, enhancers, silencers, and 3D genome organizers, often in a transcription-dependent manner. LINE-1 transcription is driven by an internal promoter located within its 5′ untranslated region (UTR), which exhibits both sense and antisense activities. In the genome, the transcriptional activity of any given LINE-1 locus is highly context-dependent, shaped by its genomic location, local epigenetic state, and internal sequence. While the role of the chromatin environment in modulating LINE-1 expression has been extensively studied, much less is known about how sequence variation within its promoter influences transcriptional competence.Thus, the central aim of this thesis is to investigate how internal sequence variation shapes the transcriptional activity of human LINE-1 elements. To address this, we adapted massively parallel reporter assays (MPRAs) to systematically evaluate the intrinsic promoter activity of ~5,000 recent primate-specific LINE-1 elements (from L1HS to L1PA5), independently of their native genomic contexts. Our analyses revealed the extent of diversity among hominoid-specific LINE-1 5′ UTRs, including both small nucleotide variants and a significant fraction of structural variants resulting from retrotransposed spliced LINE-1 RNA. We found that the majority of full-length LINE-1 promoter sequences retained some level of intrinsic activity in multiple cell lines, with promoter strength decreasing as families aged. Among them, a substantial fraction remained similarly or more active as a disease-causing LINE-1, L1RP. Moreover, we observed that the balance between sense and antisense promoter activities was cell-type specific. Finally, by comparing active and inactive promoter sequences, we identified cis-regulatory motifs and candidate transcription factors involved in regulating LINE-1 transcription across different cellular contexts. Together, these findings provide new insights into the natural variation in LINE-1 retrotransposon activity and the molecular mechanisms that shape their regulation and co-option within the host regulatory network.