Plasticité du programme spatio-temporel de réplication au cours du développement et de la différenciation cellulaire

par Hanna Julienne

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Alain Arnéodo.

Soutenue le 11-12-2013

à Lyon, École normale supérieure , dans le cadre de École doctorale de Physique et d’Astrophysique (Lyon) , en partenariat avec Laboratoire de physique (Lyon) (laboratoire) .


  • Résumé

    Le séquençage du génome humain, il y a maintenant 12 ans, a mis en lumière la complexité des mécanismes des processus nucléaires tels que la transcription, la réplication ou l'organisation de la chromatine. Depuis, afin de mieux comprendre ces processus, un ensemble sans cesse croissant de données sur le noyau cellulaire a été produit et mis en ligne par un nombre important de laboratoires de par le monde. Ces données sont à la fois d'une richesse extraordinaire et d'une complexité embarrassante. Dans cette thèse, nous mettons à profit l'ensemble de ces données afin de mieux comprendre les déterminants nucléaires du programme spatio-temporel de réplication. Pour cela nous utilisons pas moins d'une centaine de profils épigénétiques ChiP-seq le long des chromosomes humains et dans diverses lignées cellulaires pour caractériser la structure primaire de la chromatine. Nous démontrons, à l'aide d'outils issus des statistiques multivariées, que l'immense complexité potentielle de ces jeux de données peut être réduite à quatre états chromatiniens principaux et ce dans toutes les lignées cellulaires somatiques étudiées. Cette classification simple, robuste et néanmoins complète est un excellent point d'appui pour l'étude de la réplication. Les quatre états principaux de chromatine sont répliqués à des moments distinct de la phase S (leur « timing » de réplication est différent) et ont un contenu en gènes drastiquement différents. Leur répartition spatiale le long du génome est structurée et est particulièrement visible dans les domaines où le « timing » de réplication dessine un U comme signature de l'existence d'un gradient de polarité des fourches de réplication. Ces U-domaines de la taille du Mpb recouvrent 50% du génome humain et les quatre états chromatiniens principaux se succèdent du bord au centre de ces U-domaines. Les mêmes techniques statistiques appliquées au cas d'une lignée embryonnaire révèlent aussi l'existence de quatre états principaux de chromatine mais de nature différente. La classification en quatre états s'avèrent alors très utile pour comparer l'épigénétique d'une lignée somatique à celle d'une lignée embryonnaire. Aussi, les spécificités du programme de réplication embryonnaire sont mises en rapport avec les spécificités de l'organisation de la chromatine dans cette lignée cellulaire. En particulier, notre étude révèle le rôle majeur de l'histone variant H2AZ dans la pluripotence.

  • Titre traduit

    Plasticity of human replication program during differentiation in relation with change in gene expression and chromatin reorganization


  • Résumé

    The sequencing of the human genome, twelve years ago, revealed the complexity of the mechanisms underlying nuclear process such as transcription, replication and chromatin organization. In the past few years, to delineate better these processes, datasets on the cell nucleus were gathered and made available online by numerous laboratories around the world. These datasets are, at once, extraordinarily rich and daunting to handle. In this thesis, we take advantage of these datasets to understand better the nuclear determinants of the replication program. We analyze not less than a hundred ChiP-seq profiles along human chromosomes in several cell lines to characterize the primary structure of chromatin. We demonstrate, when using tools from multivariate statistics, that the immense potential complexity of these datasets can be reduced to four prevalent chromatin states in all studied somatic cell lines. This simple and comprehensive classification is an excellent starting point for the study of replication. The four prevalent chromatin states are replicated at different moments of the S-phase (they have a different replication “timing”) and have drasticaly different gene contents. Their spatial repartition along the genome is structured, especially in domains where the timing replication is U-shaped. These megabase sized U-domains cover 50% of the human genome and the four prevalent chromatin states succeed each other from their borders to their center. The same statistical techniques applied on an embryonic stem cell (ESC) also reduced the epigenetic complexity to four prevalent chromatin states which are qualitatively different from the ones in somatic cells. We further show that the specificities of embryonic replication program are link to the specificities of embryonic chromatin. Importantly, our study reveals that the histone variant H2AZ plays a major role in pluripotency.


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