Interactions fonctionnelles entre protéines de liaison et impact sur l'organisation de l'épigénome – EpiLinks

La découverte de l'influence des mécanismes chromatiniens sur l'organisation fonctionnelle du génome a révolutionné l'étude de la biologie du développement et de l'évolution des eucaryotes. Ces régulations impliquent une fine balance entre compaction et accessibilité des gènes, d'éléments transposables, de domaines structurant le génome, et leur organisation 3D. Ces mécanismes reposent particulièrement sur l'histone H1 présentant des propriétés intrinsèques de compaction de la chromatine via son domaine "globulaire H1" conservé (GH1), et le complexe répressif Polycomb 2 (PRC2) qui possède une activité enzymatique modifiant des histones (dépôt de H3K27me3). La fonction centrale de H1 dans l'instruction de la différenciation cellulaire et de la topologie du génome par PRC2 a très récemment été établie in vivo chez les mammifères, mais aucun mécanisme moléculaire expliquant comment cette histone dirige des processus séquence-spécifiques n'a été identifié. Plus généralement, il reste à déterminer dans quelle mesure, et comment, des mécanismes chromatiniens opérant à différentes échelles génomiques permettent une régulation concertée de l'épigénome et de son architecture, leur impact phénotypique, et leur potentiel adaptatif. Les études que nous menons chez Arabidopsis thaliana ont permis d'identifier les séquences télomériques comme un système idéal pour aborder ces questions émergentes. Ces courts motifs sont présents dans trois contextes génomiques principaux : 1) les télomères qui protègent les extrémités des chromosomes, 2) de grandes régions télomériques 'interstitielles' (ITR) , et 3) des motifs individuels recrutant PRC2 pour une régulation ciblée de gènes. Nous avons dévoilé que l'histone H1 réprime sélectivement l'activité de PRC2 au niveau des télomères (~20 kb) et des ITR (~500 kb) d'A. thaliana, vraisemblablement par compétition avec deux autres familles de protéines GH1, High Mobility Group A (HMGA) et Telomere Repeat Binding (TRB). Nos analyses complémentaires indiquent que diverses interactions entre ces protéines GH1 permettent aux plantes de faire face aux conséquences délétères de l'attrait des motifs télomériques pour PRC2. L'enrichissement de H1 sur les ITRs évite ainsi la formation d'énormes agrégats de H3K27me3 en cis tout en minimisant les interactions distales ITR-télomère et télomère-télomère. Le projet est composé de trois objectifs complémentaires reposant sur des méthodes expérimentales et des outils génétiques déjà établis ou des approches pionnières : 1) déterminer les relations physiques et fonctionnelles entre ces trois familles de protéines GH1 et comment leur intégration coopérative/compétitive au sein de la chromatine impacte l'épigénome; 2) évaluer comment H1 contribue à la capacité des plantes à tolérer des ITRs abondants, et quel rôle ces domaines jouent dans l'organisation fonctionnelle et 3D de l'épigénome. Cette question aborde des perspectives évolutives qui seront explorées par ingénierie du génome et par l'exploitation de la forte variation naturelle en ITRs dans les écotypes d'A. thaliana. Enfin, 3) nous déterminerons la signification biologique des interactions entre protéines GH1 dans la régulation de la transcription par PRC2 et dans le développement des plantes, en considérant une régulation au niveau des gènes mais aussi le rôle potentiel de longs ARN non-codants TERRA codés par les ITRs dans le recrutement de PRC2 en trans. Déchiffrer comment les mécanismes chromatiniens permettent aux plantes de restreindre l'activité de PRC2 au niveau des répétitions télomériques tout en la préservant au niveau des gènes devrait aider à comprendre comment des éléments génétiques similaires sont utilisés de manière différentielle pour établir des états transcriptionnels et topologiques distincts. Ce projet vise aussi à atteindre une vision intégrée de l'homéostasie de l'épigénome, des gènes aux télomères et des génomes aux populations, une perspective très attendue par la communauté scientifique