La ségrégation asymétrique des composants chromatiniens durant la division cellulaire de Saccharomyces cerevisiae et son impact sur le facteur de transcription Tup1

Asymmetrical segregation of chromatin components during cell division of Saccharomyces cerevisiae and its impact on the transcription factor Tup1.

• Auteur / Autrice : Morgane Auboiron
• Direction : Marta Radman-livaja
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Biologie Santé
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 25/04/2023
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences Chimiques et Biologiques pour la Santé
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : IGMM - Institut de Génétique Moléculaire de Montpellier
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Chromatine et Réplication de l’ADN
• Jury : Président / Présidente : Jérôme Govin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marta Radman-livaja, Julie Soutourina, Manuel Mendoza
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Julie Soutourina, Manuel Mendoza

Mots clés

Mots clés libres

Division asymétrique

Chromatine

Protéines chromatiniennes

Epigénétique

Vieillissement

Mémoire cellulaire

Asymmetrical division

Chromatin

Chromatin components

Epigenetics

Aging

Cellular memory

Résumé

La division asymétrique est un processus clef dans la différenciation cellulaire ainsi que dans la maintenance des cellules souches. Les cellules filles issues de la division cellulaire reçoivent un panel d’informations épigénétiques différents régissant alors leur devenir cellulaire spécifique. Ainsi, l’une des cellules recevra des instructions épigénétiques codant pour le programme transcriptionnel d’une cellule souche permettant la préservation de la lignée de cellules souches tandis que la seconde cellule recevra un autre ensemble d’instructions qui modifieront le programme transcriptionnel en faveur de sa différenciation en un type cellulaire spécifique. La chromatine ainsi que ses protéines associées jouent un rôle important dans la régulation de la transcription et sont considérées depuis longtemps comme impliquées dans l’hérédité épigénétique des états et niveaux d’expression des gènes qui définissent les phénotypes cellulaires bien qu’aucune étude ne démontre précisément et expérimentalement ces faits. Bien que la littérature leurs accorde un rôle important dans ces régulations, la distribution des composants chromatiniens lors de la division, notamment asymétrique, n’est que peu étudiée. En utilisant la levure bourgeonnante Saccharomyces cerevisiae comme modèle eucaryote dont la division est asymétrique, nous avons développé dans mon laboratoire une méthode basée sur la microscopie qui nous permet de suivre l’hérédité des protéines lors de la division cellulaire (méthode TrIPP : Track the Inheritance Pattern of Proteins). Grâce à cette méthode, nous avons pu montrer que les protéines de la chromatine peuvent être héritées asymétriquement. Nous démontrons notamment que seules les anciennes protéines Tup1p synthétisées en début de cycle cellulaire ou héritées de la précédente division sont retenues dans la cellule mère. Nous montrons également des résultats suggérant la possibilité que la rétention des anciennes protéines par la cellule mère puisse être un phénomène général. Cette rétention des vieilles protéines pourrait être impliquée dans les phénomènes de vieillissement des cellules qui accumuleraient ces facteurs plus anciens et probablement moins fonctionnels. De plus, grâce à cette méthode, nous avons montré que les cellules filles reçoivent un excès de 5 à 10% de nouvelles histones par rapport à la cellule mère, ceci suggère que les chromatides sœurs portant un excès de nouvelles histones sont ségrégées préférentiellement vers la cellule fille. La suite de ma thèse s’est concentrée sur le facteur de transcription Tup1p impliqué notamment dans la régulation des gènes métaboliques du galactose. J’ai donc ainsi étudié si la rétention maternelle de la protéine était impliquée dans la régulation des gènes métaboliques du galactose et notamment dans la mémoire métabolique de réactivation des gènes GAL. J’ai, de façon surprenante, montré que Tup1p ne semble pas impliqué dans la mémoire métabolique du Galactose contredisant ainsi des études publiées. En conclusion, l’étude de la ségrégation de ~30 protéines associées à la chromatine durant la division asymétrique de la levure montre que ce processus qui serait à priori stochastique est en fait hautement régulé. Mes résultats suggérant que la rétention des vieilles protéines dans la cellule mère dès le début de sa vie réplicative est potentiellement systématique, ouvrent la voie vers de nouvelles études qui devraient améliorer la compréhension des mécanismes moléculaires responsables du vieillissement cellulaire et d’autres transformations phénotypiques épigénétiquement régulées.

Asymmetrical cell division is a key process during differentiation and stem cell maintenance. Cells produced by such divisions receive different sets of epigenetically encoded instructions that will determine their cellular fate. Thus, one of the cells will receive instructions that maintain the transcriptional program specific for stem cells and the other one will be instructed to activate a transcription program that will ultimately produce a fully differentiated cell. Phenotypic transformation during differentiation is a poorly understood epigenetic phenomenon, in which chromatin, as a transcriptional regulator, theoretically plays a role. The underlying assumptions that chromatin components segregate asymmetrically or even that chromatin components are inherited have however not been systematically tested. We used budding yeast, which also divides asymmetrically, to develop a new live-cell imaging method- TrIPP (Tracking the Inheritance Patterns of Proteins), which allows us to follow how maternal proteins segregate between the mother and the daughter during cell division. We were thus able to demonstrate that chromatin proteins can be inherited asymmetrically: Tup1 proteins which are either synthesized at the very beginning of the cell cycle or inherited from the previous cell division are retained in the mother cell. Remarkably, maternal retention of “old” proteins could be a general phenomenon as it has been observed for all 33 chromatin associated proteins that we tested so far. We hypothesize that maternal retention of old proteins is implicated in cellular aging of the mother cell because old proteins are more likely to be damaged and non-functional. We also showed that the daughter cell receives a 5-10% excess of new histones compared to the mother cell suggesting that the sister chromatids carrying an excess of new histones segregate asymmetrically to the daughter cell. The next part of my thesis was focused on the general transcriptional repressor Tup1p, which regulates GAL genes involved in galactose metabolism and has been implicated in the long-term transcriptional memory of GAL gene expression. My results show, however, that Tup1p is not necessary for the transcriptional memory of GAL genes’ reinduction thus contradicting a previous publication. In conclusion, our study of the segregation of ~30 different chromatin associated proteins during yeast asymmetric cell division revealed that this “a priori” stochastic process is in fact highly regulated. My results, suggesting that the retention of old proteins in the mother cell from the very beginning of her lifespan is potentially systemic, pave the way for future studies that should improve our understanding of the molecular mechanisms responsible for cellular ageing and other epigenetically regulated phenotypic transformations.