Étude Structurale et Fonctionnelle du Complexe co-activateur ATAC humain – ATAC

L'initiation de la transcription est une étape majeure de la régulation de l'expression des gènes eucaryotes. L'ADN des cellules eucaryotes est organisé en chromatine, un polymère hautement conservé qui contrôle de nombreuses fonctions du génome. L'accessibilité de l'ADN à la machinerie transcriptionnelle est régulée par le degré de compaction de la chromatine et les co-activateurs de transcription jouent un rôle essentiel dans la régulation de la structure de la chromatine pour favoriser la liaison des facteurs de transcription généraux et la transcription par l'ARN polymérase II. Certains co-activateurs catalysent l'acétylation de résidus lysine spécifiques des histones nucléosomales, l'une des principales modifications de la chromatine associées à la transcription active des gènes. Les complexes multiprotéiques ATAC et SAGA sont des co-activateurs apparentés. Les deux complexes abritent un module histone acétyltransférase (HAT) similaire, et interagissent avec la protéine d’interaction avec la séquence TATA (TBP). Le complexe ATAC, spécifique des métazoaires, contient dix sous-unités, dont sept sont différentes de SAGA, et joue un rôle vital dans l'homéostasie cellulaire. L'organisation structurale du complexe ATAC et les fonctions de ses sous-unités hors du module HAT, restent largement inconnues. La compréhension de l'architecture tridimensionnelle d'ATAC sera cruciale pour comprendre en quoi ces deux co-activateurs HAT apparentés diffèrent dans leurs rôles de régulation de la chromatine et de la transcription. A ce jour, on ignore comment ATAC interagit avec les nucléosomes et les modifications post-traductionnelles des histones (PTM), comment et où ATAC modifie la chromatine et comment ATAC régule l'accessibilité de l'ADN.
Notre projet innovant et ambitieux a trois objectifs interdisciplinaires interconnectés :
1) déterminer la structure par cryo-microscopie électronique (cryo-EM) du complexe ATAC humain endogène, et de ses modules fonctionnels recombinants ;
2) comprendre comment ATAC interagit fonctionnellement et structuralement avec les nucléosomes, les modifications post-traductionnelles et le facteur TBP ;
3) comprendre l'importance fonctionnelle, à l'échelle du génome, des différents éléments structuraux d'ATAC dans la liaison, les modifications de la chromatine et la régulation des gènes, dans les cellules souches embryonnaires de souris.
Pour atteindre ces objectifs, nous allons purifier les complexes protéiques natifs et recombinants, puis déterminer leur structure par cryo-EM de particules uniques. Sur la base de la structure, nous éditerons le génome cellulaire par des approches de CRISPR-Cas9 pour générer des mutations dans les sous-unités ATAC. Nous réaliserons des études fonctionnelles à l'échelle du génome afin de mieux comprendre le rôle du coactivateur ATAC, et de ses éléments structuraux clés, dans le remodelage de la chromatine et la régulation de la transcription. Les analyses bioinformatiques combinées de l'accessibilité de la chromatine, des profils de liaison ATAC et des données RNA-seq, ainsi que les informations structurales à haute résolution nous indiqueront quel domaine structural d'ATAC est nécessaire pour la liaison à des histones modifiés, quels emplacements génomiques et quels domaines d'ATAC sont impliqués dans la régulation du sous-ensemble de gènes dépendants d'ATAC.
Notre projet comprend des savoir-faire complémentaires et combine des approches biochimiques, de biologie structurale, d'édition du génome et de génomique fonctionnelle. Il offre un nouveau cadre conceptuel et technologique pour comprendre le mécanisme moléculaire de la régulation de la transcription par le complexe co-activateur ATAC. La capacité d'analyser des complexes de transcription endogènes ou recombinants hautement purifiés, combinée à la génomique fonctionnelle, devrait permettre de mieux comprendre les bases structurales et fonctionnelles de la régulation transcriptionnelle.