Les protéines du groupe Polybomb (PcG) sont conservées de la drosophile jusqu’à l’homme et assurent la « mémoire cellulaire » d’un état transcriptionnel réprimé au cours du développement. Un modèle a été proposé pour expliquer leur fonctionnement, qui propose que les deux principaux complexes, PRC1 et PRC2 (Polycomb Repressive Complexes 1 & 2), sont recrutés ensemble au niveau de séquences spécifiques appelés PREs (Polycomb Responsive Elements) où ils collaborent pour maintenir la chromatine dans un été réprimé.Au cours de ma thèse, j’ai voulu tester ce modèle en utilisant les disques imaginaux d’œil-antenne de drosophile, qui sont des structures larvaires préfigurant l’œil adulte. Étonnamment, alors que les mutants PRC1 et PRC2 présentent des phénotypes similaires dans l’embryon, seuls les clones mutants PRC1 présentent une transformation néoplasique et une surcroissance dans l’œil. Pour comprendre les mécanismes moléculaires qui sous-tendent ce découplage fonctionnel, nous avons réalisé des ChIP-Seq contre plusieurs marques d’histones actives et répressives, ainsi que contre des protéines du PcG. La comparaison de ces ChIP-Seq avec les profils embryonnaires a d’abord révélé un redéploiement majeur du PRC1 au stade larvaire, sur environ 1000 promoteurs actifs. Cette nouvelle classe de cibles, que nous avons appelée « Neo-PRC1 », se trouve au niveau de gènes actifs où la marque H3K27me3 normalement déposée par le PRC2 est remplacée par la marque active H3K27Ac. Ces gènes sont impliqués dans la régulation de la polarité, la prolifération ou encore la signalisation cellulaires, et un nombre substantiel d’entre eux est surexprimé dans les mutants PRC1, mais pas PRC2. Ces résultats suggèrent que l’activité suppresseur de tumeurs du PRC1 au stade larvaire découle de la régulation précise de gènes classiquement dérégulés dans les cancers, et ce en l’absence du PRC2En plus des sites situés sur des promoteurs actifs, nous avons détecté des sites PRC1 sans PRC2 au niveau de régions enrichies pour des marques de séquences amplificatrices (« Enhancers » en anglais) actives. Ces sites correspondent à des séquences amplificatrices spécifiquement actives au stade larvaire, et sont localisés à proximité de gènes codant pour des facteurs de transcription cruciaux pour le développement de l’œil, tels que les gènes du réseau de détermination de la rétine (RDGN). Pour mieux comprendre l’action du PRC1 sur ces cibles, j’ai réalisé des expériences de Hi-C (High-throughput Chromosome Conformation Capture) dans l’œil et l’embryon, révélant ainsi que ces séquences amplificatrices contactent les promoteurs proches spécifiquement au stade larvaire. De plus, la fréquence des contacts est positivement corrélée au niveau de PRC1 fixé. Étonnamment, ces gènes cibles sont sous-exprimés dans les mutants PRC1 mais pas dans les mutants PRC2, ce qui suggère que les contacts PRC1-dépendants entre ces séquences amplificatrices et leurs promoteurs cibles promeuvent la transcription. Pour vérifier cette hypothèse, j’ai étudié l’impact de la délétion via CRISPR de deux sites PRC1 impliqués dans une boucle régulatrice ; l’un situé au promoteur d’un gène du RDGN appelé dac et l’autre sur une séquence amplificatrice putative située en aval du gène. Des expériences de 3D-FISH révèlent que leur délétion entraîne la diminution des contacts entre la séquence amplificatrice et le promoteur, avec pour effet la sous-expression de dac. Ces résultats suggèrent que le PRC1 est impliqué dans la formation de boucles entre les séquences amplificatrices et leurs promoteurs cibles, et que cette topologie est nécessaire pour l’activation de ces gènes au cours du développement.Ma thèse a donc contribué à la découverte de nouvelles fonctions pour le PRC1, qui acquiert de nouvelles cibles au cours du développement et régule la transcription de gènes impliqués dans le cancer ou le développement indépendamment du PRC2, via des mécanismes dédiés. / Polycomb Group (PcG) are a set of highly conserved proteins implicated in cellular memory of transcriptional gene silencing throughout development. A classical model of PcG mode of action proposes that the two main Polycomb Repressive Complexes (PRC), PRC1 and PRC2, are co-recruited at specific DNA sequences called PREs (Polycomb Responsive Elements) where they collaborate to stably maintain a repressed chromatin state.My PhD work has challenged this collaborative model, by using as an experimental system the Drosophila larval Eye-Antennal imaginal Disc (EAD) that prefigures the adult eye. Surprisingly, while PRC1 and PRC2 mutants exhibit similar phenotypes in embryos, only PRC1 mutant clones show neoplastic transformation and massive overgrowth in EAD, while PRC2 mutant clones do not. To understand the molecular basis of this functional uncoupling, we generated ChIP-Seq directed against a large set of repressive and active Histone Marks (HTMs) as well as against core PcG proteins in EAD. A comparative analysis with Chip-Seq embryonic profiles firstly identified a massive de novo redeployment of PRC1 proteins at mostly 1000 active promoters that occurs only at larval stage. This new class of transcriptionally active PcG target genes, that we named “Neo-PRC1”, is devoid of the H3K27me3 epigenetic mark normally deposited by PRC2 and carry instead the active H3K27Ac mark. Moreover, this Neo-PRC1 category of PcG targets is enriched in ontologies linked to cell polarity, proliferation or signalling. A substantial subset of neo-PRC1 targets is up-regulated in PRC1 but not in PRC2 mutants, suggesting that the tumour-suppressor activity of PRC1 during Drosophila development might be exerted by fine-tuning the expression of cancer-related genes independently of PRC2.In addition to neo-PRC1 sites located at promoters, we next detected an enrichment of PRC1, but not PRC2, at regions enriched for active enhancer marks. These neo-sites which correspond to larval stage-specific enhancers are found in the vicinity of genes encoding for transcription factors playing a key role in EAD development, like genes implicated in the Retinal Determination Gene Network (RDGN). To understand the function of PRC1 at these enhancers, we performed comparative Hi-C (High-throughput Chromosome Conformation Capture) experiments between embryos and EADs, and discovered differential chromatin contacts occurring between the stage-specific neo-PRC1 enhancers and their closest promoters. The intensity of these 3D contacts is positively correlated with the PRC1-binding levels. Unexpectedly, in PRC1, but not in PRC2 mutants, these genes are down-regulated, suggesting that PRC1-dependent enhancer-promoter loops promote transcription. To study if larval 3D chromatin loops are PcG-dependent and functionally relevant, we analyzed the topological and transcriptional impact of two CRISPR-generated deletions affecting two PRC1 binding sites known to form a regulatory loop. These two PREs are respectively located close to the promoter and a putative 3’ enhancer of the dac locus encoding for a crucial member of the RDGN. 3D FISH experiments demonstrate that the removal of the dac endogenous PRC1 binding sites is sufficient to significantly decrease dac enhancer-promoter contacts as well as to trigger down-regulation of dac expression. Altogether, these results suggest that PRC1 might contribute to enhancer-promoter contacts at crucial developmental genes in EAD and that these PRC1-dependent long-range interactions could be necessary to allow a proper transcriptional induction during development.To summarize, my PhD project contributed in opening a new perspective, namely that in addition to conveying cellular memory, a main function of PcG correlates with a second wave of PRC1 recruitment during larval stage to subtly regulate and coordinate the expression of cancer-related and developmental genes through non-canonical molecular mechanisms.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:theses.fr/2018MONTT073 |
| Date | 16 November 2018 |
| Creators | Loubière, Vincent |
| Contributors | Montpellier, Martinez, Anne-Marie, Cavalli, Giacomo |
| Source Sets | Dépôt national des thèses électroniques françaises |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation, Text |
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