Épivariations du génome entier et du promoteur du gène MMACHC induites par les facteurs de stress cellulaire et la transcription anti-sens aberrante dans les cellules normales, pluripotentes et cancéreuses

Genome-wide and MMACHC gene promoter epivariations induced by cellular stress factors and aberrant antisense transcription in normal, pluripotent, and cancer cells

• Auteur / Autrice : Youssef Siblini
• Direction : Jean-Louis Guéant, Abderrahim Oussalah
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la vie et de la santé
• Date : Soutenance le 15/12/2022
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : BioSE - Biologie Santé Environnement
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Nutrition - Génétique et Exposition aux Risques Environnementaux (Nancy)
• Jury : Président / Présidente : Stéphanie Grandemange
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Louis Guéant, Abderrahim Oussalah, Aurélie Bedel, Jonathan Turner, Julie Leclerc, Jean-Noël Freund
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Aurélie Bedel, Jonathan Turner

Mots clés

Mots clés contrôlés

Méthionine

Épigénétique

Transduction du signal cellulaire

Stress -- Physiologie

Mots clés libres

Épivariations

Transcription anti-Sens aberrante

Facteurs de stress cellulaire

Méthionine dépendance

Mmachc

Epivariations

Aberrant antisense transcription

Cellular stress factors

Methionine dependence

Mmachc

Résumé

La méthionine-dépendance désigne l'incapacité des cellules à proliférer en l'absence de méthionine, et ce, malgré la présence de son précurseur métabolique, l'homocystéine. Deux modèles cellulaires connus pour leur méthionine-dépendance sont les cellules dérivées de patients atteints d'épi-cblC et la lignée cellulaire de mélanome, MeWo-LC1. La méthionine-dépendance de ces deux modèles s'explique par la méthylation du promoteur du gène MMACHC, un gène majeur du métabolisme des monocarbones, induisant l'inhibition de son expression. Cette méthylation est associée à la transcription aberrante de PRDX1, un gène adjacent impliqué dans la réponse au stress cellulaire. De plus, des études récentes ont montré un nouveau type de transcrit induit par le stress pouvant générer une transcription anti-sens aberrante dont l’effet sur la méthylation de l’ADN reste encore à déchiffrer. L'objectif de cette étude est d'évaluer l'influence des facteurs de stress cellulaire sur l'épigénome humain et sur la méthylation du promoteur MMACHC induite ou non par des transcrits anti-sens aberrants. Dans un premier temps, nous avons exposé trois modèles cancéreux de carcinome hépatocellulaire, de mélanome (deux lignées cellulaires présentant des phénotypes opposés de méthionine-dépendance) et de glioblastome à des rayonnements ionisants (RI). Nous avons trouvé des épivariations sur de nombreuses sondes CpG avec des voies biologiques partagées entre les différentes lignées cellulaires testées, particulièrement celles associées au cycle et à la division cellulaires, aux réponses aux RI, à l'angiogenèse soutenue, à l'invasion tissulaire et aux métastases. Dans un deuxième temps, nous avons exposé des cellules normales, pluripotentes ou cancéreuses à trois types de facteurs de stress cellulaires connus pour leur induction de l'expression de PRDX1 ou des transcrits aberrants : arséniate, hypoxie/hypoxie-réoxygénation et stress hyperosmotique (sucrose). Nous avons trouvé une augmentation modeste de la méthylation au niveau du promoteur MMACHC et une diminution de son expression liée à la transcription anti-sens aberrante de PRDX1 après une exposition à l'arsenate et au sucrose. En outre, les analyses d'enrichissement des épivariations à l'échelle du génome ont montré des mécanismes d'adaptation spécifiques au stress et des mécanismes partagés hautement corrélés entre le traitement hypoxie-réoxygénation/arséniate et entre le traitement répétitif au sucrose à court/long terme. En conclusion, notre étude a mis en évidence des épivariations au niveau du promoteur du gène MMACHC avec son expression réduite liée à la transcription anti-sens de PRDX1. De plus, nos résultats ont fourni un aperçu des mécanismes adaptatifs partagés de l'épigénome par le biais d'épivariations à la résolution des dinucléotides CpG. Les analyses de RNA-seq complémenteront celles du méthylome et nous permettront d'adopter une approche multi-omique pour disséquer le lien entre la transcription anti-sens aberrante et les épivariations générées à l'échelle du génome.

Methionine-dependence refers to the inability of cells to proliferate in the absence of methionine despite the presence of its metabolic precursor, homocysteine. Two cellular models known for their methionine-dependence are cells derived from patients with epi-cblC and the melanoma cell line, MeWo-LC1. The methionine dependence of these two models is explained by the methylation of MMACHC promoter, a major one carbon metabolism gene, leading to inhibition of its expression. This methylation is associated with aberrant transcription of PRDX1, an adjacent gene involved in the cellular stress response. Moreover, recent studies have shown a new type of stress-induced transcript that can generate an aberrant antisense transcript whose effect on DNA methylation remains to be deciphered. The objective of this study was to evaluate the influence of cellular stressors on the human epigenome and on MMACHC promoter methylation induced or not by aberrant antisense transcripts. First, we exposed three cancer models of hepatocellular carcinoma, melanoma (two cell lines with opposite methionine-dependent phenotypes) and glioblastoma to ionizing radiation (IR). We found epivariations on many CpG probes with shared biological pathways between the different cell lines tested, notably those associated with cell cycle and division, responses to IR, sustained angiogenesis, tissue invasion, and metastasis. Second, we exposed normal, pluripotent or cancer cells to three types of cellular stressors known to induce PRDX1 expression or aberrant transcripts: arsenate, hypoxia/hypoxia-reoxygenation and hyperosmotic stress (sucrose). We found a modest increase in methylation at the MMACHC promoter and a decrease in its expression related to the aberrant antisense transcript of PRDX1 after arsenate and sucrose exposure. In addition, genome-wide epivariations enrichment analyses showed stress-specific annotation enrichment and highly correlated shared adaptation mechanisms between hypoxia-reoxygenation/arsenate treatment and between short/long term repetitive sucrose treatment. In conclusion, our study revealed epivariations at the promoter level of the MMACHC gene with its reduced expression linked to the antisense transcription of PRDX1. Furthermore, our results provided insight into shared adaptive mechanisms of the epigenome at CpG dinucleotide resolution. RNA-seq analyses will complement methylome analyses and allow us to take a multi-omics approach to dissect the link between aberrant antisense transcription and genome-wide generated epivariations.