De nouvelles structures 3D des chromosomes mises en lumière aux premiers stades du développement embryonnaire

Publiée dans Nature, cette étude a été menée dans le laboratoire d’Edith Heard, à l’Institut Curie et à l’EMBL en Allemagne, en collaboration avec le laboratoire de Peter Fraser au Babraham Institute au Royaume Uni. Elle ouvre de nouvelles perspectives sur les rôles épigénétiques de l’organisation du génome et le destin de la cellule.

Depuis une dizaine d’années, on sait que le long des chromosomes, des régions s’enroulent sur elles-mêmes, formant des petits tas en proximité forte les unes des autres. Ces pelotes - domaines 3D appelés TAD (pour Topologically Associated Domain) - jouent un rôle essentiel dans l’expression des gènes. Mais que se passe-t-il au moment de la fécondation? Est-ce que les chromosomes portent les traces de leur origine parentale ? Les chercheurs de l’Institut Curie ont scruté ce moment précis, grâce à la technique de Single Cell Hi-C qui leur a permis de collecter, d’analyser et de cartographier le génome de plus de 600 cellules issues d’embryons de souris mâles et femelles.

De manière inattendue, lorsque l’embryon est formé de 1, 2 ou 4 cellules, les premiers domaines de contacts privilégiés ne sont pas organisés aléatoirement et sont présents sur une seule des deux copies des chromosomes, en majorité la copie maternelle. Ces domaines contiennent des gènes dits silencieux. Seule la copie non structurée du gène est exprimée sur l’autre chromosome parental, en majorité paternel. Ces premiers domaines embryonnaires contiennent beaucoup de gènes dits « soumis à empreinte transitoire », dont l’expression est donc dépendante de l’origine parentale. C’est le cas du gène Xist, responsable de l’inactivation du chromosome X chez les femelles. La délétion par CRISPR Cas9 de la plus grande partie du domaine 3D en amont de Xist aboutit à la mort des embryons mâles, impliquant fortement cette région dans la régulation de l’expression du gène Xist.

Plus tard, lorsque l’embryon dépasse le stade 8 cellules, la plupart de ces domaines parentaux disparaissent, et ce sont les domaines plus classiques (TAD) qui apparaissent comme ceux décrits pour des cellules différenciées.

Ces résultats révèlent un état transitoire dans lequel une structure inclue l’héritage épigénétique de nos parents avant qu’une autre organisation 3D, spécifique de l’embryon, se mette en place. Ils offrent de nouvelles perspectives sur les liens entre l’organisation des chromosomes et l’expression des gènes. Ils ouvrent, à travers l’exploration de nouveaux gènes candidats, des nouvelles pistes pour mieux comprendre le rôle crucial du dosage de l’expression des gènes au tout début du développement.

Référence : Parental-to-embryo switch of chromosome organization in early embryogenesis. Samuel Collombet, Noémie Ranisavljevic, Takashi Nagano, Csilla Varnai, Tarak Shisode, Wing Leung, Tristan Piolot, Rafael Galupa, Maud Borensztein, Nicolas Servant, Peter Fraser, Katia Ancelin & Edith Heard. Nature, 2 avril 2020. En savoir plus : https://doi.org/10.1038/s41586-020-2125-z