Régulation spatiale de l'expression des gènes

Dans la plupart des organismes et la plupart des types de cellules, la chromatine silencieuse ou l'hétérochromatine est enrichie à la périphérie nucléaire formant des compartiments sous-nucléaires où se concentrent les répresseurs généraux de la transcription, favorisant ainsi l'établissement de zones de répression transcriptionnelles à la périphérie nucléaire (Meister et Taddei, 2013) (Bizhanova et Kaufman, 2021 ).

Dans la levure bourgeonnante, l'hétérochromatine se trouve principalement au niveau des 32 sous-télomères et des 2 locus cryptiques de type conjugal (locus HM) qui se regroupent en 3 à 5 foyers périnucléaires. Ces foyers, dits de silencing, concentrent le complexe de silencing de levure (SIR : constitué de Sir2, Sir3 et Sir4), de manière similaire aux chromocentres de mammifères dans lesquels les centromères se regroupent pour concentrer localement la protéine HP1.

Nous étudions les foyers de silencing comme modèles de compartiments sous-nucléaires répressifs, en nous concentrant sur les différents aspects de leur formation.

1. Initier la formation d'hétérochromatine.

Bien que le mécanisme d'initiation soit bien compris au niveau des télomères et des locus HM, nous avons identifié de nouveaux sites d'initiation (Dubarry et al, 2011 ; Loïodice et Taddei 2014 ; Hocher et al, 2018) le long des bras chromosomiques indiquant un mécanisme encore non caractérisé de recrutement du complexe SIR qui semble lié à l'instabilité du génome (Nikolov et Taddei, 2015). Nous étudions actuellement les mécanismes et la fonction du recrutement de facteurs de silencing sur ces sites non canoniques.

2. Propagation (et arrêt) de l'hétérochromatine.

Une fois initiée, la chromatine silencieuse se propage à partir de locus définis et divers mécanismes empêchent la propagation ectopique de l'hétérochromatine dans l'euchromatine. Nous avons montré que la principale barrière à la propagation de l'hétérochromatine est fournie par des marques d'histones spécifiques H3K79me3 déposées par la méthyltransférase conservée Dot1 empêchant ainsi l'hétérochromatine de se propager dans l'euchromatine (Hocher et al, 2018). En effet, les domaines discrets des sous-télomères sont caractérisés par des marques d'histones spécifiques qui sont permissives pour la propagation du complexe SIR, ce qui nous amène à proposer une nouvelle définition des sous-télomères (Hocher et al, 2018 ; Hocher et Taddei 2020).

D'autres facteurs limitants pour la propagation du complexe SIR sont les quantités cellulaires de protéines Sirs. C'est pourquoi l'établissement du silencing au niveau des sous-télomères nécessite une concentration locale élevée qui est obtenue grâce au regroupement des télomères en foyers (Meister et Taddei, 2013).

3. Regroupement d'hétérochromatine

Des travaux antérieurs de notre équipe ont mis en lumière les mécanismes impliqués dans la formation de tels domaines silencieux subnucléaires. En combinant génétique, microscopie vivante et approches génétiques, nous avons d'abord montré que Sir3 favorise le regroupement des télomères indépendamment de la formation d'hétérochromatine (Ruault et al., 2011).

En comparant la dynamique des clusters de télomères avec des modèles physiques (collaboration avec l'équipe de D. Holcman : ENS, Paris), nous avons pu montrer que les foyers de télomères sont des compartiments subnucléaires dynamiques résultant d'un processus de dissociation – agrégation (Hozé et al., 2013).

Plus récemment, en combinant la microscopie quantitative avec Hi-C (collaboration avec l'équipe de R. Kozsul, I. Pasteur, Paris), nous avons démontré que Sir3 est le pont moléculaire qui médie les trans-interactions entre les régions liées par Sir3, y compris les sous-télomères, les locus HM et l'ADN ribosomal, mais aussi certains sites euchromatiques (Ruault et al., 2021).

Nos projets en cours visent à mieux caractériser les principes moléculaires et physiques sous-jacents à la formation, au maintien et à la dynamique de ces compartiments sous-nucléaires, en se concentrant sur 3 questions principales :

- Quels sont le mécanisme et la fonction du recrutement de Sir3 à des loci euchromatiques spécifiques ?

- Quelle est la nature physique des foyers de silencing ? Nous abordons cette question en utilisant des approches de microscopie à molécule unique pour suivre des molécules individuelles de protéines Sir à une résolution de 30 nm et 20 MHz dans différents contextes génétiques et physiologiques (Heltberg et al., 2021 ; Miné-Hattab et Taddei, 2019 ; Miné-Hattab et al ., 2021)

- Qu'est-ce qui régule la dynamique des foyers de silencing en conditions normales et en réponse aux changements des conditions environnementales tels que les événements génotoxiques (voir projet 2) ou les transitions métaboliques (projet 3 : quiescence) ?

Le regroupement de loci silencieux et le recrutement de facteurs d'hétérochromatine au niveau de loci génomiques instables sont des caractéristiques conservées des génomes eucaryotes. Nous prévoyons donc que des principes de base émergeront de cette étude qui pourraient s'appliquer à d'autres espèces.

 

Bibliographie :

Bizhanova, A., and Kaufman, P.D. (2021). Close to the edge: Heterochromatin at the nucleolar and nuclear peripheries. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Gene Regulatory Mechanisms 1864, 194666.

Heltberg, M.L., Miné-Hattab, J., Taddei, A., Walczak, A.M., and Mora, T. (2021). Physical observables to determine the nature of membrane-less cellular sub-compartments (Biophysics).

Hozé, N., Ruault, M., Amoruso, C., Taddei, A., and Holcman, D. (2013). Spatial telomere organization and clustering in yeast Saccharomyces cerevisiae nucleus is generated by a random dynamics of aggregation–dissociation. MBoC 24, 1791–1800.

Meister, P., and Taddei, A. (2013). Building silent compartments at the nuclear periphery: a recurrent theme. Current Opinion in Genetics & Development 23, 96–103.

Miné-Hattab, J., and Taddei, A. (2019). Physical principles and functional consequences of nuclear compartmentalization in budding yeast. Current Opinion in Cell Biology 58, 105–113.

Miné-Hattab, J., Heltberg, M., Villemeur, M., Guedj, C., Mora, T., Walczak, A.M., Dahan, M., and Taddei, A. (2021). Single molecule microscopy reveals key physical features of repair foci in living cells. ELife 10, e60577.

Ruault, M., De Meyer, A., Loïodice, I., and Taddei, A. (2011). Clustering heterochromatin: Sir3 promotes telomere clustering independently of silencing in yeast. The Journal of Cell Biology 192, 417–431.

Ruault, M., Scolari, V.F., Lazar-Stefanita, L., Hocher, A., Loïodice, I., Koszul, R., and Taddei, A. (2021). Sir3 mediates long-range chromosome interactions in budding yeast. Genome Res. 31, 411–425.