Bivalent (poised or paused) chromatin comprises activating and repressing histone modifications at the same location. This combination of epigenetic marks at promoter or enhancer regions keeps genes expressed at low levels but poised for rapid activation. Typically, DNA at bivalent promoters is only lowly methylated in normal cells, but frequently shows elevated methylation levels in cancer samples. Here, we developed a universal classifier built from chromatin data that can identify cancer samples solely from hypermethylation of bivalent chromatin. Tested on over 7,000 DNA methylation data sets from several cancer types, it reaches an AUC of 0.92. Although higher levels of DNA methylation are often associated with transcriptional silencing, counter-intuitive positive statistical dependencies between DNA methylation and expression levels have been recently reported for two cancer types. Here, we re-analyze combined expression and DNA methylation data sets, comprising over 5,000 samples, and demonstrate that the conjunction of hypermethylation of bivalent chromatin and up-regulation of the corresponding genes is a general phenomenon in cancer. This up-regulation affects many developmental genes and transcription factors, including dozens of homeobox genes and other genes implicated in cancer. Thus, we reason that the disturbance of bivalent chromatin may be intimately linked to tumorigenesis.

L'empreinte génomique est un mécanisme épigénétique qui conduit à l'expression d'un seul des deux allèles parentaux pour une centaine de gènes autosomaux chez les mammifères. La majorité des gènes soumis à l'empreinte est regroupée en clusters et tous ces gènes sont sous le contrôle de séquences discrètes appelées ICR (Imprinting Control Region). Les ICRs sont marquées épigénétiquement par une méthylation d'ADN et des modifications des histones alléliques. La méthylation d'ADN au niveau de ces ICRs est un facteur clé de l'empreinte et va être établie dans les lignées germinales suivant le sexe de l'embryon. Après fécondation, le nouvel embryon portera les empreintes paternelles et maternelles, ces empreintes devront alors être maintenues pendant tout le développement et interprétés dans le but de conduire à l'expression allélique des gènes soumis à l'empreinte. Cependant, la méthylation d'ADN ne peut expliquer à elle seule tous les aspects de l'empreinte génomique. Ainsi, d'autres marques épigénétiques doivent agir dans le maintien et la lecture de ces empreintes. Nous avons mis en évidence dans un premier temps que le contrôle de l'expression allélique dans le cerveau de Grb10 repose sur la résolution d'un domaine bivalent allélique spécifiquement dans le cerveau. Ces résultats mettent en avant pour la première fois un domaine bivalent dans le contrôle de l'expression des gènes soumis à l'empreinte et propose un nouveau mécanisme dans l'expression tissu spécifique de ces gènes. D'autre part, bien que des études en cellules ES aient démontré un rôle de G9a dans le maintien des empreintes au cours du développement embryonnaire, nos données suggèrent que G9a ne serait pas essentielle a ce maintien dans un contexte in vivo. / Genomic imprinting is a developmental mechanism which leads to parent-of-origin-specific expression for about one hundred genes in mammals. Most of imprinted genes are clustered and all are under control of sequence of few kilobases called Imprinting Control Region or ICR. ICRs are epigenetically marked by allelic DNA methylation and histone modifications. DNA methylation on ICRs is a key factor which is established in germ cells according to the sex of the embryo. After fecundation, the new embryo will harbored both paternal and maternal imprints which have to be maintained during the development and read to lead to allelic expression of imprinted genes. However, allelic DNA methylation alone cannot explain every aspect of genomic imprinting. Thus, there should be other epigenetic marks which act in the maintaining and reading of the imprints.Our data first indicate that bivalent chromatin, in combination with neuronal factors, controls the paternal expression of Grb10 in brain, the bivalent domain being resolved upon neural commitment, during the developmental window in which paternal expression is activated. This finding highlights a novel mechanism to control tissue-specific imprinting. On an other hand, although previous studies in ES cells show a role for G9a in the maintaining of imprints during embryonic development, our data suggest that G9a would not be essential in an in vivo model.

La différenciation et le développement requièrent une régulation fine de l’expression desgènes, médiée en partie par les modifications épigénétiques. Parmi les modificationsd’histones, la chromatine bivalente, signature chromatinienne atypique associant lesmarques permissive H3K4me2/3 et répressive H3K27me3, est de par sa plasticité, pressentiepour jouer un rôle décisionnel dans l’acquisition d’une identité cellulaire. Pour étudier le rôlede la chromatine bivalente au cours du développement, nous avons choisi d’utiliserl’empreinte parentale. Ce cadre développemental bien caractérisé, conduit à l’expression decertains gènes à partir d’un seul des deux allèles selon son origine parentale. La méthylationdifférentielle de l’ADN d’une région clé, appelée ICR (Imprinting Control Region), bienqu’absolument requise pour l’expression mono-allélique de ces gènes, n’est pas suffisantepour rendre compte de la complexité du profil d’expression de ces gènes suggérantl’implication d’autres mécanismes. Sur 15 ICR méthylés sur l’allèle maternel, nous avonsprécisément mis en évidence que la chromatine bivalente est présente par défaut sur l’allèlenon-méthylé lorsque celui-ci est transcriptionnellement inactif, quel que soit le stadedéveloppemental ou le tissu étudié, participant ainsi à la régulation fine de l’expressiontissu-spécifique à partir de ces régions. Dans leur ensemble, nos données révèlent que lachromatine bivalente joue un rôle moins dynamique que pressentie. Ainsi, au niveau del’empreinte parentale, sa fonction principale serait de protéger l’allèle non-méthylé des ICRcontre l’acquisition de méthylation tout en aidant à le maintenir réprimé dans certainstissus. Nous proposons que la chromatine bivalente joue un rôle similaire sur l’ensemble desîlots CpG du génome, contribuant ainsi à la protection de l’identité cellulaire. Afin decompléter cette première étude, j’ai étudié la régulation de l’expression d’un candidat de larégulation de la dynamique de la chromatine bivalente, l’histone déméthylase pourH3K27me3, JMJD3. Les résultats obtenus suggèrent que l’induction d’expression observéeau cours de la différenciation neurale s’appuie sur une dynamique de la structuretridimensionnelle de la chromatine qui pourrait elle-même être régulée par la transcriptiond’un eARN (enhancer ARN) et l’hydroxyméthylation. Ce modèle souligne un mode derégulation complexe de ce nouvel acteur épigénétique, impliquant des régionsintragéniques, et pourrait notamment permettre de comprendre les mécanismes impliquésdans sa dérégulation dans les cancers. / Fine-tuned regulation of gene expression is required for cell fate determination anddevelopment. Epigenetics modifications are well documented to be instrumental in thisprocess. Among them, bivalent chromatin, an unusual chromatin signature, which associatesthe permissive mark H3K4me2/3 and the repressive mark H3K27me3, is believed to arbitrategene expression during cell commitment. To study its precise role in development, we haveundertaken to study bivalency in the context of genomic imprinting. This well-defineddevelopmental frame is a process restricting expression of some genes to one parental alleleonly. The constitutive differential DNA methylation at the key region called ICR (ImprintingControl Region), is absolutely required but not sufficient to explain the complexity of themono-allelic expression pattern of imprinted genes, indicating that other mechanisms couldbe involved. Specifically, on 15 maternally methylated ICR, we showed that bivalentchromatin is acquired by default on the unmethylated allele of ICR when it istranscriptionally inactive whatever the developmental stage or the tissue studied and thuscontribute to tissue-specific expression from these regions. Altogether, our results revealthat chromatin bivalency is much less dynamic than proposed. In the context of genomicimprinting, it seems to plays more a safeguard function at ICR by protecting theunmethylated allele against DNA methylation acquisition while keeping it silent in a subsetof tissues. To complete this study, I studied the regulation of JMJD3, a histone demethylasefor H3K27me3, candidate to regulate bivalency dynamic. Our results suggest that theinduction of Jmjd3 expression observed during neural differentiation rely on the dynamic ofthe tridimensional architecture at the locus which could be regulated by the transcription ofan eRNA (enhancer RNA) and by hydroxymethylation. This model highlight a complex way ofregulation for this new epigenetics actor, involving intragenic regions and could help tounderstand how Jmjd3 expression is deregulated in a pathological context such as in cancer.

Bivalent (poised or paused) chromatin comprises activating and repressing histone modifications at the same location. This combination of epigenetic marks at promoter or enhancer regions keeps genes expressed at low levels but poised for rapid activation. Typically, DNA at bivalent promoters is only lowly methylated in normal cells, but frequently shows elevated methylation levels in cancer samples. Here, we developed a universal classifier built from chromatin data that can identify cancer samples solely from hypermethylation of bivalent chromatin. Tested on over 7,000 DNA methylation data sets from several cancer types, it reaches an AUC of 0.92. Although higher levels of DNA methylation are often associated with transcriptional silencing, counter-intuitive positive statistical dependencies between DNA methylation and expression levels have been recently reported for two cancer types. Here, we re-analyze combined expression and DNA methylation data sets, comprising over 5,000 samples, and demonstrate that the conjunction of hypermethylation of bivalent chromatin and up-regulation of the corresponding genes is a general phenomenon in cancer. This up-regulation affects many developmental genes and transcription factors, including dozens of homeobox genes and other genes implicated in cancer. Thus, we reason that the disturbance of bivalent chromatin may be intimately linked to tumorigenesis.