Complexe Polycomb chez la paramécie: interaction avec la machinerie des petits ARN et spécificité de substrats – POLYCHROME

Pour atteindre nos objectifs, nous combinerons des analyses génétiques et cellulaires, des tests biochimiques, et des cartographies génomiques des profils de méthylation d’états chromatiniens et de transcription. Ce programme est à même de révéler les mécanismes qui régissent l’établissement d’états chromatiniens associés à certaines régions du génome chez les eucaryotes.

Nous avons identifié les partenaires protéiques de la sous-unite catalytique du complexe PRC2-Ezl1. Ce complexe se forme autour de 4 sous unites qui sont tres vraisemblablement des homologues fonctionnels du complexe PRC2 caractérisé dans d'autres organismes. D'autres sous-unités facultatives ont été identifiées et ne ressemblent pas à des facteurs connus de PRC2.
Les constituants du complexe sont nécessaires pour contrôler les éléments transposables.
Les petits RNAs sont requis pour la déposition des marques H3K9 et K27 au niveau des éléments transposables.

Nous voulons reconstituer l'activité du complexe à partir de protéines recombinantes et comprendre le rôle des sous unités facultatives dans le ciblage et la regulation de l'activité du complexe.

1. Sellis S *, Gue´rin F*, Arnaiz O, Pett1 W, Lerat E, Boggetto N, Krenek S, Berendonk T, Couloux A, Aury J-M, Labadie K, Malinsky S, Bhullar S, Meyer E, Sperling L, Laurent Duret L*, Duharcourt S*. (2021). Massive colonization of protein-coding exons by selfish genetic elements in Paramecium germline genomes. PLOS Biol. In press
bioRxiv 2020.12.23.424184; doi: 10.1101/2020.12.23.424184

2. Déléris A, Berger F, Duharcourt S*. (2021). Role of Polycomb in the control of transposable elements. Trends In Genetics. doi.org/10.1016/j.tig.2021.06.003

3. Hardy A, Matelot M, Touzeau A, Klopp C, Lopez-Roques C, Duharcourt S*, Defrance M*. (2021). DNAModAnnot: a R toolbox for DNA modification filtering and annotation. Bioinformatics. 2021 Jan 20:btab032. doi: 10.1093/bioinformatics/btab032. PMID: 33471071

4. Vanssay A*, Touzeau A*, Arnaiz O, Frapporti A, Phipps J, Duharcourt S. (2020). The Paramecium histone chaperone Spt16-1 is required for Pgm endonuclease function in programmed genome rearrangements. PLoS Genet. 2020 Jul 23;16(7):e1008949. doi: 10.1371/journal.pgen.1008949.

Le complexe protéique Polycomb Repressive Complex (PRC2) maintient réprimée l’expression de gènes durant le développement en régulant la structure de la chromatine. Il est responsable de la triméthylation de la lysine 27 de l’histone H3 chez les eucaryotes et joue un rôle crucial dans le contrôle épigénétique du développement. Il apparait donc essentiel de décrypter les mécanismes qui régulent l’activité de ce complexe et contrôlent son ciblage dans certaines régions chromosomiques. Ces questions sont au centre de notre programme de recherche POLYCHROME.

L’eucaryote unicellulaire cilié Paramecium constitue un organisme modèle particulièrement adapté à l’étude des mécanismes de recrutement du complexe PRC2. En effet, chez cet organisme, les régions chromatiniennes associée à la signature PRC2 sont mises en place au cours du développement et sont ensuite éliminées, avant la première division cellulaire. Une originalité de notre modèle réside donc dans le fait que les mécanismes permettant le recrutement initial de PRC2 ne sont pas brouillés par ceux qui assurent le maintien au travers des divisions cellulaires des modifications épigénétiques mises en place par PRC2. Une caractéristique des ciliés, et donc de Paramecium, est la séparation des fonctions germinale et somatique entre deux noyaux au sein d’un même cytoplasme. Le micronoyau diploïde, transcriptionnellement inactif, contient le génome germinal qui est transmis à la descendance sexuelle par méiose, alors que le macronoyau somatique polyploide contient un génome réduit dédié à l’expression des gènes. Au cours du développement du macronoyau à partir du noyau zygotique, environ 25% du génome germinal est éliminé. Ce processus d’élimination d’ADN conduit à la suppression de toutes les séquences répétées dispersées dans le génome, incluant l’ensemble des éléments transposables. Les mécanismes permettant la reconnaissance et l’élimination d’un si grand nombre de séquences différentes restent largement méconnus.

Une partie de la réponse provient du mode d’action d’une classe de petits ARN, appelés scnRNA. Initialement produits à partir du génome germinal par une voie de l’ARN interférence spécifique de la méiose, les scnRNA initient l’élimination des séquences homologues dans le macronoyau en développement. Pourtant, il reste à découvrir comment les scnRNA sont connectés à la machinerie d’élimination d’ADN. Nous avons récemment démontré que la régulation de la chromatine contrôle le processus d’élimination programmée d’ADN. En effet, la protéine Ezl1 de Paramecium, homologue de la sous-unité catalytique de PRC2 des mammifères, est essentielle à l’élimination des éléments transposables. La caractéristique la plus surprenante de l’enzyme Ezl1 est qu’elle catalyse la triméthylation de la lysine 9 (H3K9), en plus de son substrat conservé H3K27. Ces deux signatures sont associées aux éléments transposables. L’ensemble de nos résultats suggèrent que l’élimination des éléments transposables dépend d’une étape préalable, conservée chez les eucaryotes : la formation par les petits ARN d’un état particulier de la chromatine.

Le projet POLYCHROME a pour but d’élucider le rôle des états chromatiniens associés à la protéine Ezl1 dans le processus qui permet de connecter les petits ARN et l’élimination d’ADN : comment le complexe PRC2-Ezl1 est-il ciblé dans des sites chromatiniens particuliers ? Qu’est ce qui confère au complexe la spécificité additionnelle de substrat envers K9 ? Quels sont les rôles biologiques des nouveaux constituants du complexe que nous avons identifiés ? Pour atteindre nos objectifs, nous combinerons des analyses génétiques et cellulaires, des tests biochimiques, et des cartographies génomiques des profils de méthylation d’états chromatiniens et de transcription. Ce programme est à même de révéler les mécanismes qui régissent l’établissement d’états chromatiniens associés à certaines régions du génome chez les eucaryotes.