Identification and characterization of Polycomb repressed gene-enhancer loops

par Charbel Souaid

Thèse de doctorat en Sciences de la vie et de la santé

Sous la direction de Daan Noordermeer.

  • Titre traduit

    Identification et caractérisation des boucles entre les promoteurs des gènes réprimés par Polycomb et les enhancers dans les cellules souches embryonnaires des souris


  • Résumé

    Dans les cellules souches embryonnaires de souris (mESCs), le groupe de protéines Polycomb (PcG) répriment les gènes de développement en participant ainsi à la maintenance de l’état de pluripotence. Ce complexe dépose la H3K27me3au niveau des éléments régulateurs induisant une compaction de la chromatine. Cette marque forme en plus des marquesactives H3K4me3 présentes des domaines bivalents. Etrangement, des boucles d’ADN dites entre le promoteur et enhancer, généralement associé à l’activation du gènes, sont observées au niveau des gènes bivalents avant leur activation.On suppose que la fonction du PcG pourrait être de neutraliser l'enhancer conférant une future activation rapide des gènes.Au cours de ma thèse, j’ai identifié les boucles d’ADN formé par les réprimés par PcG dans les mESCs. Pour cela,j’ai effectué un profilage épigénomique de 4 marques d'histones et identifié près de 2500 promoteurs bivalents et 13000enhancers. En utilisant des données publiées de Hi-C à haute résolution, j’ai identifié toutes les boucles formées par les domaines bivalents. Etonnement, j’ai pu identifier que de nombreux gènes réprimés par PcG interagissent avec des enhancers actifs. Cette observation a été suivie d'une validation par le 4C-seq. De plus, j’ai effectué une caractérisation fonctionnelle des boucles en utilisant deux approches. Tout d'abord, j'ai mis en place, en collaboration avec D. Bourc'his(Institut Curie), un système de culture de mESCs (2i + VitC) où le taux de H3K27me3 est réduit. J'ai effectué un profilage épigénomique similaire révélant que les promoteurs réprimés par PcG ont perdu la marque H3K27me3. En RNA-seq, j’ai démontré que l’expression des gènes ne change pas après le PcG soit détacher des promoteurs.. Ensuite, par la réalisation de plusieurs validations en 4C-seq j’ai démontré que les interactions avec les enhancers ne sont pas affecté alors que la moitié des enhancers interagissant perdent leurs marques activatrices. Dans le système 2i+VitC, ces gènes semblent être réprimés par un autre mécanisme suite à la perte du PcG. De plus, j’utilise une approche ciblée pour enlever localement laH3K27me3 de deux gènes bivalents en utilisant le système Cette technique est en cours d’optimisation.Notre étude est la plus systématique au niveau génomique des boucles d'ADN dans le cadre de la régulation des gènes PcG. Notre étude révèle une nouvelle fonction du PcG qui est la répression de boucle d’ADN déjà établies entre promoteurs et enhancers.


  • Résumé

    In the mouse embryonic stem cells (mESCs), Polycomb Group Proteins (PcG) repress developmental genes and thereby participating in the maintenance of the pluripotency. PcG repress genes by depositing the H3K27me3 histone marks on their regulatory elements, followed by chromatin compaction. In addition to the H3K27me3 marks, those genes carry H3K4me3 active marks and were characterized as bivalent. Intriguingly, at many PcG repressed genes, DNA loops can be observed with enhancer elements, which are normally thought to have an activating function. The aim of my project is to both describe and mechanistically dissect the function of Polycomb repressed promoter – enhancer loops.During my PhD, I aimed firstly to identify all promoter–enhancer loops involved by PcG repressed genes in mESCs. I have performed ChIP-seq profiling of 4 histone marks and identified around 2500 PcG repressed promoters and 13000 enhancers. Using a recently published high-resolution Hi-C data in mESCs, I have identified all DNA loops that are formed by PcG repressed promoters. Surprisingly, a high percentage of bivalent promoters were found to contact active enhancers. The presence of those loops were validated by ultra-high 4C-seq on selected genes and imply a small significant increase of the gene expression without leading to a complete activation of the gene. I have established a more physiological ESC model (2i+VitC) where H3K27me3 is reduced at all promoters. I have performed ChIP-seq, where bivalent promoters were all classified as H3K27me3 negative. RNA-seq experiments have showed that those genes do not become activated. 4C-seq experiments have revealed that those loops do not disappear after PcG removal, whereas the half of interacted enhancer loose their H3K27ac active marks. Those genes seem to remain repressed by an unknown mechanism. These results argue for a possible role of PcG in preparing the gene for their activation by blocking the productivity of such DNA loops. Secondly, I aimed to functionally characterize those DNA loops by using a CRISPR/dCas9 approach to completely remove H3K27me3 from two PcG repressed genes that contact active enhancers Pax6 and Nkx1-1 genes. This system is still under optimization steps.My project revealed the most systematic characterization of DNA loops under the regulation of PcG, providing important insight how PcG function to inactivate such loops. I have highlighted an additional function of PcG which the involvement in the repression of already establish loops between active enhancers and promoters and thereby blocking the productivity of such activating loops. This function is an addition to the already described repressive function of PcG on both promoters and poised enhancers.


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