Role of 3D Chromatin Conformation in Gene Regulation During Early Drosophila Embryogenesis and in Differentiated Mouse Tissues.
Étude du rôle de l’organisation tridimensionnelle du génome sur la régulation transcriptionnelle des gènes.
Résumé
In the nucleus of eukaryotic cells, the DNA molecule, that carries genetic infor-
mation, associates with proteins such as histones to form chromatin. Over the past
decade, techniques known as "chromosome conformation capture" have revealed
that chromatin is hierarchically organised into physical domains called Topologi-
cally Associating Domains (TADs). TADs play a critical role in gene regulation by
facilitating physical interactions between genes and their regulatory elements such
as enhancers, promoters, and insulators. However, the molecular mechanisms and
factors involved in the formation of these structures during embryonic development,
as well as their influence on gene activation and repression in differentiated tissues,
remain poorly understood.
In this study, we investigated the role of certain factors in establishing interac-
tions between genes and their regulatory elements to better understand their im-
pact on transcriptional regulation in Drosophila. To do this, we used bioinformatic
approaches and an advanced microscopy technique (Hi-M). These innovative tools
allowed us to highlight the importance of Class I insulator proteins in mediating
these interactions during embryonic development in Drosophila. We were able to
show that interactions between regions bound by Class I insulator proteins are rare,
mainly observed in pairs, and that their formation precedes the emergence of TADs
during the nuclear cycle 14. Subsequently, our research focused on the role of in-
teractions between genes and their regulatory elements in differentiated tissues in
mammals. To this end, we produced Hi-M data and developed a novel machine-
learning tool to decompose chromatin structure into fundamental units, which we
termed "Chromatin Folding Motifs" (CFMs). This allowed us to show that a set of
CFMs is essential for explaining the structure of a given locus. As a result, we were
able to show that the three-dimensional architecture varies not only between tis-
sues, but also between different cell-types by adjusting the proportion of the CFMs.
Finally, we showed that 3D architecture is affected during the onset of diseases such
as type II diabetes. Collectively, these studies aim to open new perspectives for
understanding the mechanisms involved in 3D genome organisation.
Dans le noyau des cellules eucaryotes, la molécule d’ADN, qui porte l’information
génétique, s’associe avec des protéines telles que les histones pour former la chroma-
tine. Au cours de la dernière décennie, les techniques de "capture de la conformation
des chromosomes" ont révélé que la chromatine était organisée de manière hiérar-
chique en domaines physiques appelés TADs (Topologically Associating Domains, en
anglais). Les TADs jouent un rôle cléf dans la régulation génique en facilitant les
interactions physiques entre les gènes et leurs éléments régulateurs tels que les en-
hancers, les promoteurs et les insulateurs. Cependant, les mécanismes moléculaires
et les facteurs impliqués dans la formation de ces structures pendant le développe-
ment embryonnaire, ainsi que leur influence sur l’activation et la répression des gènes
dans les tissus différenciés, demeurent mal compris.
L’objet de ces travaux est d’étudier le rôle de certains facteurs dans l’établissement
des interactions entre les gènes et leurs éléments régulateurs afin de mieux compren-
dre leur impact sur la régulation de la transcription chez la drosophile. Pour ce faire,
nous avons utilisé des approches de bioinformatique et une technique de microscopie
avancée (Hi-M). Grâce à ces outils novateurs, nous avons pu mettre en évidence
l’importance des protéines insulatrices, dite de "Classe I", dans la mise en place de
ces interactions au cours du développement embryonnaire chez la drosophile. Nous
avons montré que les interactions entre les régions liées par les protéines insulatrices
de Classe I étaient peu fréquentes et principalement observées en paire, et que leur
formation précédait l’émergence des TADs au cycle nucléaire 14. Par la suite, nos
recherches se sont penchées sur le rôle de ces interactions entre les gènes et leurs
éléments régulateurs au sein des tissus différenciés chez les mammifères. Pour cela,
nous avons géneré des données Hi-M et nous avons développé un nouvel outil de
machine learning permettant la décomposition de la structure de la chromatine en
unités fondamentales, que nous avons nommées "Motifs de Pliage de la Chroma-
tine" (Chromatin Folding Motifs, en anglais). Ceci nous a permis de montrer qu’un
ensemble de motifs CFMs était essentiel pour expliquer la structure d’un locus spéci-
fique. En conséquence, nous avons pu démontrer que l’architecture tridimensionnelle
varie non seulement d’un tissu à l’autre, mais également d’un sous-type cellulaire
à l’autre en ajustant la proportion d’un même ensemble de CFMs. Finalement,
nous avons également montré que l’architecture 3D était affectée lors de la genèse
de maladies telles que le diabète de type II. Dans l’ensemble, ces études ont pour
but d’ouvrir de nouvelles perspectives pour appréhender les mécanismes à l’œuvre
dans l’organisation du génome en 3D.
| Origine | Fichiers produits par l'(les) auteur(s) |
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