Étude de la régulation et de la fonction du long ARN non codant XACT chez l'humain durant le développement précoce et dans le système hématopoïétique

Study of the long non coding RNA XACT regulation and function in human during early embryonic development and in the haematopoietic system

• Auteur / Autrice : Madeleine Moscatelli
• Direction : Claire Rougeulle
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génétique
• Date : Soutenance le 08/12/2020
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Bio Sorbonne Paris Cité (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Épigénétique et destin cellulaire (Paris)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Claire Rougeulle, Antonin Morillon, Camille Lobry, Andrew Oldfield, Julie Chaumeil, Michèle Goodhardt, Miguel Casanova
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Antonin Morillon, Camille Lobry

Mots clés

Mots clés contrôlés

Système hématopoïétique

Inactivation du chromosome X

ARN long non codant

Mots clés libres

Développement précoce

Early embryonic development

Résumé

L'évolution des études transcriptomiques a révélé une transcription pervasive chez les eucaryotes, produisant de nombreux ARN non codants, et notamment des longs ARNs non codants (lARNnc). Nos connaissances sur ces lARNnc proviennent de l'étude d'une infime fraction de ces molécules, révélant leur implication dans de nombreux processus cellulaires, notamment la régulation de l'expression génique. L'inactivation du chromosome X (ICX) est un paradigme de régulation épigénétique impliquant des lARNnc. Ce processus est essentiel pour égaliser le dosage des produits des gènes liés à l'X, entre les mammifères mâles et femelles. L'acteur principal de ce processus est XIST, un lARNnc, qui a la capacité de recouvrir et d'inactiver le chromosome à partir duquel il est exprimé. Principalement étudiée dans le modèle murin, un nombre croissant de preuves indiquent que l'ICX n'est pas mise en place de la même manière chez l'humain, même si la finalité reste la même. En effet, lors du développement préimplantatoire humain, XIST s'accumule sur les chromosomes X, chez la femelle et le mâle, observation que l'on ne retrouve pas dans le modèle murin. Curieusement, à ce stade du développement, malgré la présence de XIST, ces chromosomes sont toujours activement transcrits. Ces observations suggèrent l'existence d'un mécanisme chez l'humain qui bloquerait de manière transitoire l'action de XIST et contrôlerait la mise en place de l'XCI. Mon laboratoire de thèse a identifié XACT, un lARNnc retrouvé uniquement chez les grands primates. Exprimé durant les stades précoces du développement, XACT a la propriété de recouvrir les chromosomes X actifs (Xa). De ce fait, XACT et XIST recouvrent de manière simultanée sur les chromosomes X actifs pendant l'embryogenèse précoce. L'ensemble des études réalisées sur XACT suggèrent que ce lARNnc pourrait jouer un rôle dans le contrôle de l'activité des chromosomes X durant les étapes précoces du développement et agir en antagoniste de XIST. Au cours de ma thèse, j'ai étudié la régulation de l'expression de XACT durant les stades précoces du développement. Nous avons identifié un enhancer dérivant d'éléments transposables, dont l'activité a été détournée lors de l'évolution des primates, afin de réguler l'expression de XACT et de la relier à la pluripotence. Par ce travail, nous avons mis en évidence comment des éléments transposables peuvent intervenir dans la régulation de processus essentiels (tel que l'ICX) au cours de l'évolution. Bien que XACT soit réprimé au cours de la différenciation cellulaire, le laboratoire a mis en évidence l'expression de XACT dans les cellules souches progénitrices hématopoïétiques (CSPH) mâles et femelles où il garde sa capacité à recouvrir le Xa. Nous avons donc étudié XACT dans ce contexte, avec pour hypothèse qu'il pourrait avoir un rôle dans l'obtention des CSPH. Cependant malgré une régulation fine de l'expression de XACT au cours de la différenciation de cellules souches embryonnaires en CSPH, nos résultats démontrent que XACT n'a pas de rôle dans l'obtention de l'identité cellulaire des CSPH. Étonnamment dans le système hématopoïétique une maintenance inhabituelle de l'XCI est observable. Dans certains types cellulaires le nuage de XIST est délocalisé, et les marques épigénétiques répressives normalement associées au X inactif ne sont plus détectables. J'ai donc également étudié la nécessité de XIST dans ce contexte. Des résultats préliminaires indiquent que l'absence de XIST n'empêche pas la différenciation des cellules souches embryonnaires en CSPH. Cependant, les CSPH obtenues n'ont pas la capacité de se différencier dans l'ensemble des types cellulaires du lignage myéloïde. Bien que préliminaires, ces observations sont les premières à suggérer un rôle direct de XIST et éventuellement de l'ICX dans la mise en place et le maintien de la diversité cellulaire du système hématopoïétique chez l'humain.

The genome-wide transcriptomic studies have revealed pervasive transcription in eukaryotes, producing many non-coding RNAs, including long non coding RNAs (lncRNAs). Our knowledge of these lncRNAs comes from the study of a fraction of these molecules, revealing their involvement in many cellular processes, including the regulation of gene expression. The X chromosome inactivation (XCI) is a paradigm of epigenetic regulation involving lncRNAs. This process is essential to equalise the dosage of X-linked gene products between male and female mammals. The main actor in this process, XIST, is a lncRNA that has the ability to coat and inactivate the chromosome from which it is expressed. Mainly studied in the mouse model, an increasing amount of evidence indicates that XCI is not establish in the same way in humans, although the purpose remains the same. Indeed, during human pre-implantation development, XIST accumulates on the X chromosomes in both females and males, an observation not found in the mouse model. Curiously, at this development stage, despite the presence of XIST, these chromosomes are still active. These observations suggest the existence of a mechanism in humans which would transiently block the action of XIST and control the establishment of XCI. My PhD laboratory has recently identified XACT, a lncRNA present only in great apes. Expressed during the early development stages, XACT has the property to coat the active X chromosomes (Xa). Strikingly, XACT and XIST are present and simultaneously coat the X chromosomes during early embryogenesis. All the studies carried out on XACT suggest that this lncRNA could play a role in controlling the X chromosomes activity during the early development stages, possibly through an antagonistic activity of XIST. For my PhD thesis, I studied the regulation of XACT expression during the early development stages. We identified an enhancer derived from transposable elements, whose activity was hijacked during the evolution of primates, in order to regulate the XACT expression and to link it to pluripotency. Through this work, we have highlighted how transposable elements can rewire in the regulation of essential processes (such as XCI) during evolution. Although XACT is repressed during cell differentiation, the laboratory has highlighted the expression of XACT in male and female haematopoietic progenitor cells (HSPCs) where it retains its ability to coat the Xa. Therefore, we studied XACT in this context, with the hypothesis that it could have a role during the HSCs differentiation. However, despite a precise regulation of XACT expression during embryonic stem cells differentiation into HSPCs, our results show that XACT has no role in acquiring the HSPCs cellular identity. Surprisingly in the haematopoietic system an unusual XCI maintenance is observable. In some cell types the XIST cloud is delocalized, and the repressive epigenetic markers normally associated with inactive X are no longer detectable. I thus studied the requirement for XIST in this context, by introducing loss of function mutations. Preliminary results indicate that the absence of XIST does not prevent the differentiation of embryonic stem cells into HSPCs. However, these HSPCs do not have the capacity to properly differentiate into all cell types of the myeloid lineage. Although preliminary, these observations are the first to suggest a direct role for XIST and possibly XCI in the establishment and cell diversity maintenance of the haematopoietic system in humans.