Role de l'acétylation des histones dans la formation des TADs et des nano-domaines de chromatine

Role of histone acetylation in the organization of TADs and chromatin nanodomains

• Auteur / Autrice : Hadrien Reboul
• Direction : Frédéric Bantignies, Giacomo Cavalli
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Biologie Santé
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 13/12/2024
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences Chimiques et Biologiques pour la Santé (Montpellier ; Ecole Doctorale ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : IGH - Institut de Génétique Humaine
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Chromatine et biologie cellulaire
• Jury : Président / Présidente : Emmanuelle Fabre
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Bantignies, Kerstin Bystricky, Thomas Sexton, Charlene Boumendil, Cavalli Giacomo
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Kerstin Bystricky, Thomas Sexton

Mots clés

Mots clés libres

Génomique

Génétique et Epigénétique

Régulation transcriptionnelle

Structure des chromosomes

Genomic

Genetic and Epigenetic

Transcriptional regulation

Chromosome folding

Résumé

Le repliement de l'ADN comprend de multiples niveaux d'organisation de la chromatine, allant des nucléosomes aux territoires chromosomiques. Toutefois, notre compréhension du repliement chromosomique sous la mégabase reste limitée. Les études de Hi-C ont mis en évidence des domaines enrichis en interactions chromatiniennes, connus sous le nom de Domaines d'Association Topologique (TAD), qui opèrent à une échelle cruciale pour les processus dépendants de l'ADN tels que la transcription et la réplication. Bien que les frontières des TADs aient été largement étudiées, ce n'est qu'avec les avancées de la microscopie à super-résolution que leur composition interne a commencé à être explorée. Dans les cellules de mammifères, ces techniques ont révélé que les TADs résultent de l’assemblages de plus petites sous-structures hétérogènes nommées Nanodomaines Chromatiniens (CND). Les CNDs ont été observés à l'aide de diverses techniques de microscopie, mais les mécanismes régulant leur formation restent largement inconnus. Contrairement aux TADs, les CNDs ne dépendent pas du mécanisme d'extrusion de boucle médié par la cohésine. Ma thèse visait à élucider les mécanismes du repliement de la chromatine à l'échelle mésoscopique. Des études antérieures ont indiqué que les CNDs sont influencés par l'état épigénétique des loci auxquels ils appartiennent et par le traitement avec inhibiteur pan-HDAC. Ces résultats préliminaires ont suggéré que la formation des CND pourrait dépendre des interactions nucléosome-nucléosome. Pour démontrer le rôle causal de l'acétylation dans la formation de ces structures, j'ai développé des conditions expérimentales pour l'hyperacétylation et l'hypoacétylation globales du génome dans des cellules souches embryonnaires de souris. L'hyperacétylation a été induite à l'aide de la romidepsine, un inhibiteur spécifique des HDAC nucléaires, tandis que l'hypoacétylation a été réalisée en modifiant le métabolisme cellulaire pour réduire le pool d'Acétyl-CoA disponible pour les réactions d'acétylation. Ces conditions ont montré des effets opposés sur la structure des CNDs. J'ai ensuite cherché à déterminer quelles marques d'acétylation spécifiques étaient responsables de ces mécanismes. En utilisant des cellules souches embryonnaires de souris génétiquement modifiées, j'ai démontré que les lysines les plus fréquemment acétylées dans le génome jouent un rôle dans la formation des CNDs. Contrairement aux prédictions des études in vitro, l’acétylation de la lysine 16 de l’histone H4 (H4K16Ac) seule n'avait pas un rôle prédominant dans l'organisation fine de la chromatine. Cependant, sa déplétion, en combinaison avec celle de l’amine terminale de H4 (Nterm-H4Ac), a partiellement reproduit les effets observés lors de l'hypoacétylation globale du génome. Collectivement, nos résultats établissent un lien de causalité entre les interactions des nucléosomes et la formation des CNDs, ces interactions étant influencées par l'acétylation des histones, en particulier les marques les plus fréquemment acétylées.

Higher-order genome folding comprises multiple levels of chromatin organization, ranging from nucleosomes to chromosome territories. However, our understanding of chromosome folding at the sub-megabase scale remains limited. Hi-C studies have identified domains enriched in chromatin interactions, known as Topologically Associating Domains (TADs), which operate at a scale crucial for DNA-dependent processes such as transcription and replication. While TAD boundaries have been extensively studied, it is only with advances in super-resolution microscopy that their internal composition has begun to be explored. In mammalian cells, these techniques have revealed that TADs consist of heterogeneous assemblies of smaller sub-structures termed Chromatin Nanodomains (CNDs). CNDs have been observed using various microscopy techniques, yet the mechanisms regulating their formation remain largely unknown. Unlike TADs, CNDs do not rely on the cohesin-mediated loop extrusion mechanism. My thesis aimed to elucidate the mechanisms of chromatin folding at the mesoscale level. Previous studies have indicated that CNDs are influenced by the epigenetic state of their associated loci and the treatment with pan-HDAC inhibitors. These preliminary findings suggested that CNDs formation might be dependent on nucleosome-nucleosome interactions. To demonstrate the causal role of acetylation in the formation of these structures, I developed experimental conditions for global hyperacetylation and hypoacetylation of the genome in mouse embryonic stem cells. Hyperacetylation was induced using romidepsin, a specific inhibitor of nuclear HDACs, while hypoacetylation was achieved by modifying cellular metabolism to reduce the pool of available Acetyl-CoA for acetylation reactions. These conditions exhibited opposing effects on the structure of CNDs. I then sought to determine which specific acetylation marks were responsible for these mechanisms. By using genetically engineered mouse embryonic stem cells, I demonstrated that the lysines most frequently acetylated in the genome play a role in CND formation. Contrary to in vitro studies, H4K16Ac alone did not have a predominant role in fine chromatin organization. However, its depletion, in combination with the amine terminal of histone H4 (Nterm-H4Ac), partially reproduced the effects observed during global genomic hypoacetylation. Collectively, our results establish a causal link between nucleosome interactions and CND formation, with these interactions being influenced by histone acetylation, particularly the most frequently acetylated marks.