La méthylation de l'ADN change la liaison de CTCF et réorganise la structure 3D du génome de cellules de cancer du sein

DNA methylation changes CTCF binding and reorganizes 3D genome structure in breast cancer cells

• Auteur / Autrice : Julie Segueni
• Direction : Daan Noordermeer
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la vie et de la santé
• Date : Soutenance le 03/04/2024
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Structure et dynamique des systèmes vivants (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de biologie intégrative de la cellule (Gif-Sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Life Sciences and Health (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Gaëlle Lelandais
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Simona Saccani, Michaël Weber, Simon Elsässer
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Simona Saccani, Michaël Weber

Mots clés

Mots clés contrôlés

Régulation de l'expression des gènes tumoraux

Facteur de liaison à la séquence CCCTC

Chromatine

Méthylation de l'ADN

Génomique

Cancer du sein

Épigénétique

Mots clés libres

Protéine CTCF

Structure 3D du génome

Eléments cis-régulateurs

Cancer du sein

Méthylation de l'ADN

CTCF protein

3D genome structure

Cis-regulatory elements

Breast cancer

DNA methylation

Résumé

Les génomes des mammifères adoptent une organisation 3D fonctionnelle où les interactions entre les enhancers et les promoteurs des gènes sont contenues à l'intérieur de domaines d'association topologique (TADs). La protéine insulatrice CTCF a deux rôles dans ce processus : sa liaison aux promoteurs permettant la formation de boucles enhancers-promoteurs (structure intra-TAD) et sa liaison aux frontières des TADs empêchant la formation de boucles ectopiques entre domaines voisins. Surtout, les perturbations de la liaison de la protéine CTCF à des sites particuliers dans des cellules cancéreuses peuvent être dues à des changements de séquences d'ADN (mutations) ou à des changements de méthylation de l'ADN (épi-mutations). Nous avons d'abord réalisé des expériences calibrées de CTCF ChIP-seq et avons trouvé qu'un grand nombre de sites ont une liaison différente de CTCF, avec une grande fraction de sites différemment liés étant partagés parmi les lignées cancéreuses. Ces changements de liaison de CTCF peuvent être des gains ou des pertes de liaison et sont souvent situés près de gènes associés à la transformation cancéreuse. Nous avons trouvé une remarquable corrélation entre les changements de liaison de CTCF et les changements d'enrichissement de la marque H3K27ac, indiquant un lien entre la liaison de CTCF et l'activité d'éléments cis-régulateurs (CREs). Grâce à des expériences de Hi-C à haute résolution, nous avons évalué l'impact de ces changements de liaison de CTCF sur la structure de la chromatine, caractérisant une réorganisation considérable de la structure 3D du génome à des loci de gènes qui contiennent des pics CTCF perturbés. De manière inattendue, nous trouvons les exemples les plus drastiques de réorganisation à l'intérieur des TADs, au niveau des boucles enhancers-promoteurs. Ensuite, nous avons identifié les changements de méthylation de l'ADN comme la cause de la dérégulation de la liaison de CTCF dans notre modèle. En utilisant un agent retirant la méthylation de l'ADN sur l'ensemble du génome, nous avons réussi à partiellement inverser des changements de liaison de CTCF que nous avons observés et les changements d'expression induits. Ainsi, notre étude identifie une réorganisation invasive de la liaison de CTCF et des structures intra-TADs, induite par la méthylation de l'ADN. Ces épi-mutations récurrentes peuvent expliquer les mécanismes de dérégulation commune des gènes dans les cancers.

Mammalian genomes adopt a functional 3D organization where enhancer-promoter interactions are constrained within Topologically Associating Domains (TADs). The CTCF insulator protein has a dual role in this process, with binding at promoters resulting in the formation of enhancer-promoter loops (intra-TAD structure) and binding at TAD boundaries preventing the formation of inappropriate loops between neighboring domains. Importantly, perturbations of CTCF binding at specific sites in cancer cells can be caused by both changes to the DNA sequence (mutations) or DNA methylation changes (epi-mutations). We first performed precisely-calibrated CTCF ChIP-seq experiments and found that a large number of sites are differentially bound, with a substantial fraction of differential CTCF binding peaks shared among cancer cell lines. Differential CTCF peaks can both be gained and lost and are often localized close to genes associated with breast cancer transformation. We found a striking correlation between CTCF binding changes and H3K27ac changes indicating a link between CTCF binding and the activity of cis-regulatory elements (CREs). Using high-resolution Hi-C, we assessed the impact of differential CTCF binding on chromatin structure, characterizing considerable 3D genome reorganization at gene loci with perturbed CTCF peaks. Unexpectedly, we find the most drastic examples of reorganization within TADs, at the level of enhancer-promoter loops. Then, we identified DNA methylation changes as the upstream cause of CTCF binding deregulation in our breast cancer model. Using genome-wide hypomethylating agent, we were able to partially reverse observed CTCF binding changes and the gene expression changes they induced. Our work thus identifies a pervasive DNA-methylation-guided reorganization of CTCF binding and intra-TAD structure. Such recurrent patterns of epi-mutations can provide a mechanistic explanation for shared gene deregulation in cancers.