Étude et modélisation des fonctions de suppresseur de tumeur des complexes SWI/SNF chez les mammifères

Study and modelling of the tumour suppressor functions of SWI/SNF complexes in mammals

• Auteur / Autrice : Manon Soleil
• Direction : Matthieu GÉrard
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences de la vie et de la santé
• Date : Inscription en doctorat le 04/10/2021
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Structure et Dynamique des Systèmes Vivants
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : I2BC - Institut de Biologie Intégrative de la Cellule
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Epigénomique des mammifères
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay

Mots clés

Mots clés libres

Transcription

Chromatine

Nucléosome

Cancer

Génome

Nucleosome

Transcription

Cancer

Chromatin

Genome

Résumé

Le génome eucaryote est compacté sous forme de chromatine, dont l'unité de base est le nucléosome. Un nucléosome est constitué d'un octamère d'histones : un tétramère H3-H4 et deux dimères H2A-H2B, autour desquels sont enroulées 147 paires de bases d'ADN. L'interaction étroite entre l'ADN et les histones rend la séquence d'ADN inaccessible, ce qui constitue une barrière à la liaison des facteurs de transcription (TF). Cette barrière peut être levée par les remodeleurs de chromatine dépendants de l'ATP, qui interagissent avec les nucléosomes pour modifier leur positionnement et leur occupation. Il existe quatre familles de remodeleurs de chromatine, INO80, SWI/SNF, ISWI et CHD. Chaque remodeleur comprend une sous-unité ATPase de la famille Snf2, qui utilise l'énergie de l'hydrolyse de l'ATP pour induire un changement local de l'organisation de la chromatine. Ce changement consiste à repositionner (sliding) ou éjecter un nucléosome, ou à dérouler (unwrapping) une petite portion d'ADN en dehors du nucléosome. Ce remodelage permet alors de révéler sur l'ADN des sites de liaison pour des TF ou d'autres protéines interagissant avec le génome. Les remodeleurs peuvent aussi altérer la composition des nucléosomes en remplaçant certaines histones par des variants, ou en éjectant des dimères d'histones (Clapier and Cairns, 2009). La famille SWI/SNF (pour « SWItch/Sucrose Non-Fermentable », aussi appelée BAF pour « BRG1/BRM-Associated Factors ») se divise en 3 sous-familles : les complexes cBAF (canonical BAF), PBAF (Polybromo-associated BAF) et ncBAF (non-canonical BAF). Ces complexes ont des modules communs, dont le module ATPase qui comprend l'une des deux sous-unités SMARCA2 ou SMARCA4. Ils comprennent également des modules spécifiques de chaque sous-famille. De multiples études montrent que la famille SWI/SNF a des fonctions de suppresseur de tumeurs (voir revue Wilson and Roberts, 2011). Ces différents complexes BAF sont capables d'interagir in vivo avec les éléments cis-régulateurs (CRE) du génome, avec des profils de liaison distincts : ncBAF serait plutôt enrichi aux promoteurs et aux sites de liaison de CTCF, cBAF plutôt aux enhancers, et PBAF aux promoteurs (Gatchalian et al., 2018; Michel et al., 2018). Récemment, notre équipe a réalisé une analyse approfondie de la distribution des particules nucléosomales et subnucléosomales au niveau des CRE sur le génome des cellules souches embryonnaires (ES) de souris. Cette étude a été réalisée grâce à des ChIP anti-histones sur de la chromatine digérée par une faible dose de nucléase microccocale (MNase), associées à du séquençage à haute couverture (Nocente et al., 2024). Cette analyse a révélé que les différentes catégories de CRE (promoteurs, enhancers et sites de liaison CTCF) ont chacune une organisation nucléosomale et subnucléosomale spécifique dans laquelle les particules subnucléosomales occupent une position centrale (Nocente et al., 2024). L'équipe a récemment démontré qu'au niveau des enhancers, Brg1 (aussi appelé Smarca4, qui correspond à la sous-unité catalytique des complexes BAF en cellule ES) génère des particules subnucléosomales constituées de fragments d'ADN de 50-80 bp associés à des histones, qui correspondraient à un fractionnement d'un nucléosome en deux hémisomes (Nocente et al., 2024). Les promoteurs transcriptionnellement actifs contiennent un seul subnucléosome de 50-80 pb coïncidant en position génomique avec le nucléosome -1, situé en amont du TSS. Ce nucléosome -1, ciblé in vivo par une grande variété de remodeleurs de la chromatine, est hypersensible à un excès de MNase, une caractéristique des nucléosomes fragiles. Ces données suggèrent qu'au niveau des promoteurs, des événements de remodelage de la chromatine ciblent le nucléosome -1 pour le convertir en un subnucléosome de 50-80 pb occupant la même position génomique (Nocente et al., 2024). Ces promoteurs sont les régions où se forme le complexe de préinitiation (PIC) de la transcription, constitué de TBP (TATA-box Binding Protein) ainsi que plusieurs autres facteurs généraux de transcription (GTF), et l'ARN polymérase II (pol II) (Osman and Cramer, 2020). TBP se lie au niveau de la TATA box, dont la séquence consensus est la suivante : TATAWR (W = A/T, R = A/G), le premier nucléotide T se situant en position -32 à -28 par rapport au TSS. Or ce motif n'est présent que dans 15 à 20% des promoteurs (Vo Ngoc et al., 2017) tandis que TBP est présent sur tous les promoteurs. L'objectif de ma thèse a été d'étudier l'architecture nucléosomale et subnucléosomale des promoteurs, la liaison des GTF au sein de cette architecture et la fonction des différents complexes BAF dans la régulation de cette architecture et du recrutement des TF.

The eukaryotic genome is compacted in the form of chromatin, the basic unit of which is the nucleosome. A nucleosome consists of an octamer of histones: an H3-H4 tetramer and two H2A-H2B dimers, around which 147 base pairs of DNA are wrapped. The close interaction between DNA and histones renders the DNA sequence inaccessible, providing a barrier to transcription factor (TF) binding. This barrier can be overcome by ATP-dependent chromatin remodellers, which interact with nucleosomes to modify their positioning and occupancy. There are four families of chromatin remodellers: INO80, SWI/SNF, ISWI and CHD. Each remodeler comprises an ATPase subunit of the Snf2 family, which uses the energy of ATP hydrolysis to induce a local change in chromatin organization. This change consists in repositioning (sliding) or ejecting a nucleosome, or unwrapping a small portion of DNA from the nucleosome. This remodeling then reveals binding sites on the DNA for TFs or other genome-interacting proteins. Remodelers can also alter nucleosome composition by replacing histones with variants, or by ejecting histone dimers (Clapier and Cairns, 2009). The SWI/SNF family (for “SWItch/Sucrose Non-Fermentable”, also known as BAF for “BRG1/BRM-Associated Factors”) is divided into 3 subfamilies: the cBAF (canonical BAF), PBAF (Polybromo-associated BAF) and ncBAF (non-canonical BAF) complexes. These complexes share common modules, including the ATPase module, which comprises one of the two SMARCA2 or SMARCA4 subunits. They also include modules specific to each sub-family. Multiple studies show that the SWI/SNF family has tumor suppressor functions (reviewed in Wilson and Roberts, 2011). These different BAF complexes are capable of interacting in vivo with cis-regulatory elements (CREs) of the genome, with distinct binding profiles: ncBAF would be rather enriched at promoters and CTCF binding sites, cBAF rather at enhancers, and PBAF at promoters (Gatchalian et al., 2018; Michel et al., 2018). Recently, our team carried out an in-depth analysis of the distribution of nucleosomal and subnucleosomal particles at CREs on the mouse embryonic stem (ES) cell genome. This study was carried out using anti-histone ChIP on chromatin digested with a low dose of microccocal nuclease (MNase), combined with high-coverage sequencing (Nocente et al., 2024). This analysis revealed that the different CRE categories (promoters, enhancers and CTCF binding sites) each have a specific nucleosomal and subnucleosomal organization in which subnucleosomal particles occupy a central position (Nocente et al., 2024). The team recently demonstrated that, at the level of enhancers, Brg1 (also known as Smarca4, which corresponds to the catalytic subunit of BAF complexes in ES cells) generates subnucleosomal particles consisting of 50-80 bp DNA fragments associated with histones, which would correspond to a splitting of a nucleosome into two hemisomes (Nocente et al., 2024). Transcriptionally active promoters contain a single 50-80 bp subnucleosome coinciding in genomic position with nucleosome -1, located upstream of the TSS. This -1 nucleosome, targeted in vivo by a wide variety of chromatin remodellers, is hypersensitive to excess MNase, a characteristic of fragile nucleosomes. These data suggest that, at the promoter level, chromatin remodeling events target nucleosome -1 to convert it into a 50-80 bp subnucleosome occupying the same genomic position (Nocente et al., 2024). These promoters are the regions where the transcription pre-initiation complex (PIC) is formed, consisting of TBP (TATA-box Binding Protein) as well as several other general transcription factors (GTFs), and RNA polymerase II (pol II) (Osman and Cramer, 2020). TBP binds to the TATA box, whose consensus sequence is as follows: TATAWR (W = A/T, R = A/G), with the first T nucleotide at position -32 to -28 relative to the TSS. However, this motif is present in only 15-20% of promoters (Vo Ngoc et al., 2017), whereas TBP is present on all promoters. The aim of my thesis was to study the nucleosomal and subnucleosomal architecture of promoters, GTF binding within this architecture and the function of different BAF complexes in regulating this architecture and TF recruitment.