Evolution de l'inactivation du X et des ARN non-codant régulateurs chez les primates – PrimateXCI

Le projet PRIMATE XCI utilise des cellules souches pluripotentes issues des 3 espèces de primates sélectionnées pour modéliser le développement précoce, correspondants aux étapes clés de l’inactivation du X. Nous déterminerons l’activité des chromosomes X à différents stades. Nous identifierons, dans chaque espèce et par le biais d’approches candidates et non ciblées, les régulateurs non-codants, et caractériserons leur mode d’action. Nous déterminerons si et comment ces éléments régulateurs couplent, au niveau moléculaire, le processus d’inactivation du X au développement embryonnaire. Le projet fait appel à la technologie CRISPR/Cas9 et à ses dérivés, permettant des études fonctionnelles robustes et efficaces dans les cellules souches pluripotentes de primates, ainsi qu’à des développements innovants pour mimer in vitro les différent états de pluripotence.

Nous avons tout d’abord collecté le matériel et développé les outils permettant la caractérisation et l’analyse fonctionnelle des cellules de primates non-humains. Nous avons déterminé le statut d’inactivation du chromosome X dans les cellules souches pluripotentes femelles de rhésus et de chimpanzé. De plus, des approches systématique de RNA-seq et Hi-C nous ont permis d’établir les paysages transcriptionnel et tri-dimensionnel des centres de contrôles de l’inactivation du X chez les primates. Ces analyses ont déjà révélé des différences notables entres espèces, dont les conséquences doivent être étudiées.
Nous avons également obtenu les premières preuves d’un rôle de régions non-codantes candidates dans le contrôle de l’inactivation du X chez les primates non-humains.

Ce projet apportera des données nouvelles sur ce processus essentiel qu’est l’inactivation du chromosome X, chez les primates. C’est un aspect d’autant plus important que les rongeurs, qui ont servi de modèle d’étude principal jusqu’à présent, semble constituer une exception chez les mammifères pour ce qui concerne la régulation du chromosome X. Cette combinaison originale de systèmes biologiques, d’approches créatives et d’outils spécifiques nous permettra de définir plus particulièrement la contribution du génome non-codant aux principes généraux d’inactivation du X chez les primates ainsi qu’à des mécanismes spécifiques d’espèces.

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Le génome non–codant porte des fonctions régulatrices clés et participe à l’établissement des programmes d’expression génique, et donc à l’identité cellulaire. Il est composé en partie de gènes produisant de long ARN non-codant, dont une fraction dérive d’éléments transposables et d’anciennes infections retrovirales. Un des aspects parfois négligé de ces gènes non-codants est que leur fonction peut être médiée non seulement par le long ARN lui-même, mais également pas le locus, l’acte de transcription, ou des sous-produits ARN de petite taille. Les gènes non-codants ont la particularité d’évoluer très rapidement, même au sein des mammifères, ainsi des éléments orthologues présentent de grandes divergences de séquence. La contribution des gènes non-codants à la variation phénotypique entre espèces évolutivement proches est cependant peu appréhendée. L’inactivation du chromosome X (ICX) est un modèle de choix pour aborder cette question dans la mesure où ce processus de régulation épigénétique implique de multiples gènes non-codants et démontre une variabilité marquante entre espèces.
Les travaux récents du Partenaire 1 ont mis en lumière des différences majeures dans l’implication de gènes non-codants dans l’inactivation du X entre l’homme et la souris, qui a été jusqu’à présent l’espèce de référence pour l’étude de ce processus. Cependant, ces deux espèces appartiennent à des ordres distincts de mammifères, primates et rongeurs respectivement, qui ont divergé il y a environ 90 millions d’années et dont les programmes développementaux et réseaux de pluripotence diffèrent en partie. Interroger le lien entre l’inactivation du chromosome X et les premières décisions cellulaires au sein d’espèces phylogénétiquement proches constitue un paradigme innovant pour comprendre comment le génome non-codant contribue à l’adaptabilité et la spéciation sur une échelle évolutive restreinte.
Le projet PRIMATE XCI vise à décortiquer les variations phénotypiques et mécanistiques de l’inactivation du chromosome X au sein des primates, par l’étude de 3 espèces modèles (humain, chimpanzé et macaque), dans le contexte des cellules souches pluripotentes naïves et amorcées. Nous identifierons, par des approches candidates et systématiques, les régulateurs non-codants et caractériserons leurs mécanismes d’action. Nous chercherons également à comprendre comment ces régulateurs peuvent coupler le statut d’inactivation à l’état cellulaire, et donc au développement. Le projet PRIMATE XCI fait appel à la technologie CRISPR/Cas9 et à ses dérivées, permettant des études fonctionnelles robustes et efficaces dans les cellules souches pluripotentes de primates, ainsi qu’à des développements innovants pour la reprogrammation de cellules souches amorcées en naïves. La combinaison originale de systèmes biologiques, d’approches créatives et d’outils spécifiques nous permettra de définir la contribution des gènes non-codants aux principes généraux d’inactivation du X chez les primates ainsi qu’à des mécanismes spécifiques d’espèces. Ce projet est à l’interface de plusieurs domaines de recherches compétitifs, les cellules souches, les gènes non-codants, l’épigénétique et l’évolution, et devrait ainsi bénéficier à de multiples communautés scientifiques.