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Étude de l’organisation tridimensionnelle du génome 52

CHAPITRE  1   : Introduction 1

1.3   Organisation tridimensionnelle de la chromatine 48

1.3.1   Niveaux supérieurs de l’organisation chromatinienne 48

1.3.1.2   Étude de l’organisation tridimensionnelle du génome 52

L’étude  de  l’organisation  spatiale  du  génome  dans  le  noyau  repose  sur  une  combinaison   d’approches   complémentaires,   mais   non   exhaustives.   D’une   part,   les   méthodes   basées   sur   la   microscopie   nous   informent   sur   le   positionnement   relatif   d’un   nombre   limité   de   régions   génomiques   dans   des   cellules   individuelles.   D’autre   part,   les   techniques   basées   sur  la  capture  de  la  conformation  des  chromosomes  (3C,  pour  chromosome  conformation   capture)   nous   renseignent   sur   l’organisation   tridimensionnelle   (3D)   de   la   chromatine   à  l’échelle  du  génome  au  sein  d’une  population  de  cellules.  Ainsi,  leurs  résultats  pourraient   représenter   une   surimposition   de   conformations   de   génomes   individuels   plutôt   qu’une   structure  stable.  

L’architecture   nucléaire   a   principalement   été   étudiée   grâce   à   des   techniques   d’imagerie   sur   cellules   fixées   se   basant   sur   l’hybridation   in   situ   en   fluorescence   (FISH,   pour   fluorescent  in  situ  hybridization)  qui  permet  de  visualiser  un  nombre  restreint  de  loci  grâce   à   des   sondes   ciblant   l’ADN   de   manière   spécifique.   Les   progrès   dans   le   développement   d’oligonucléotides   sur   mesure   comme   l’Oligopaint356,357   et   des   approches   novatrices   de  

microscopie   à   super-­résolution   ont   permis   la   visualisation   directe   de   structures   génomiques  à  une  résolution  sans  précédent.  À  titre  d’exemple,  une  méthode  d’imagerie  à   haut  débit  appelée  HIPMap  (high-­throughput  imaging  position  mapping)  a  été  utilisée  pour   identifier   de   nouveaux   facteurs   affectant   le   positionnement   radial   de   différents   types   de   régions  génomiques  dans  le  noyau358.  Par  ailleurs,  une  autre  application  de  la  microscopie   consiste   à   marquer   des   régions   du   génome   en   exprimant   des   protéines   se   liant   à   des   séquences   spécifiques   de   l’ADN   fusionnées   à   des   dérivés   de   la   GFP   (green   fluorescent   protein)359,360.   L’ensemble   de   ces   approches   permet   de   mieux   caractériser   la   dynamique  

de  régions  chromosomiques,  mais  ne  permet  pas  d’élucider  la  structure  précise  d’un  locus   donné.    

L’émergence   de   la   technique   de   capture   de   la   conformation   des   chromosomes,   le   3C,   permettant   de   détecter   la   proximité   spatiale   de   deux   fragments   de   chromatine,   au   début   des   années   2000361   marque   le   début   d’une   nouvelle   ère   dans   la   caractérisation   des   interactions  chromatiniennes.  Le  développement  subséquent  de  dérivés  et  de  variantes  de   cette  méthode  a  permis  d’importantes  avancées  dans  la  compréhension  de  l’organisation   du  génome.    

  Figure  1.18:  Les  techniques  d’étude  de  la  conformation  des  chromosomes.362,363  

Plusieurs  techniques  ont  été  dérivées  de  la  capture  de  la  conformation  des  chromosomes   (3C).  Le  principe  du  3C,  4C,  5C,  Hi-­C  et  ChIA-­PET  sont  schématisés.    

 

Pour  la  plupart  des  techniques  basées  sur  le  3C  (Figure  1.18),  la  première  étape  implique   une  fixation  des  cellules  au  formaldéhyde  afin  de  préserver  les  interactions  entre  l’ADN  et   les   complexes   protéiques.   Par   la   suite,   la   chromatine   est   fragmentée   par   digestion  

enzymatique  dans  la  majorité  des  cas,  ou  par  sonication  dans  le  cas  d’une  variante  du  3C,   le   ChIA-­PET   (chromatin   interaction   analysis   by   paired-­end   tag   sequencing)364.   Dans   le  

contexte  de  ce  dernier  (Figure  1.18),  l’étape  suivante  consiste  en  un  enrichissement  pour   une   protéine   d’intérêt   par   immunoprécipitation.   Les   extrémités   des   fragments   chromatiniens  ainsi  enrichis  sont  soumises  à  une  ligation  de  proximité  par  l’intermédiaire   d’adaptateurs  biotinylés  et,  suite  à  l’inversion  de  la  fixation  et  à  la  fragmentation  des  brins   d’ADN,  des  adaptateurs  de  séquençage  sont  ajoutés.  L’enrichissement  des  fragments  (ou   PETs,   pour   paired-­end   tags)   contenant   les   adaptateurs   biotinylés   est   suivi   d’un   séquençage   à   haut   débit365.   Ainsi,   l’alignement   des   séquences   obtenues   au   génome   de  

référence   permet   d’identifier   les   interactions   génomiques   établies   via   une   protéine   d’intérêt.   La   première   publication   d’une   expérience   de   ChIA-­PET   ciblait   le   récepteur   aux   œstrogènes   et   a   permis   d’établir   le   réseau   d’interactions   chromatiniennes   impliquant   ce   facteur  dans  le  génome  humain364.    

Dans  le  cas  des  protocoles  standards  basés  sur  le  3C  (Figure  1.18),  la  digestion  par  des   enzymes  de  restriction  comme  HindIII  ou  DpnII  est  suivie  d’une  ligation  de  proximité  des   extrémités   d’ADN   adjacentes,   de   l’inversion   de   la   fixation   et   de   la   détection   des   produits   de   ligation   entre   deux   régions,   et   donc   de   l’identification   de   leur   proximité   spatiale,   par   diverses   approches.   Dans   la   méthode   classique   du   3C,   l’interaction   entre   deux   loci   est   testée   par   qPCR   (quantitative   polymerase   chain   reaction),   une   paire   de   loci   à   la   fois.   Initialement   utilisée   pour   étudier   l’organisation   chromosomique   chez   la   levure361,   cette  

méthode   a   permis   de   démontrer,   pour   la   première   fois,   l’existence   de   boucles   de   chromatine   permettant   de   rapprocher   des   éléments   régulateurs   distaux   de   leurs   promoteurs   cibles   chez   les   mammifères366.   Dans   le   protocole   du   4C   (chromosome   conformation  capture-­on-­chip),  une  deuxième  série  de  digestion  et  de  ligation,  permettant   d’augmenter   la   résolution,   est   suivie   par   une   PCR   inverse   utilisant   des   amorces   s’hybridant   sur   un   locus   donné   afin   de   détecter   les   interactions   chromatiniennes   entre   le   locus  d’intérêt  et  le  reste  du  génome.  La  banque  de  produits  de  PCR  ainsi  obtenue  peut   être   hybridée   sur   une   puce   à   ADN   ou   séquencée   à   haut   débit367,368.   Le   4C   a   permis   de  

caractériser  des  interactions  fonctionnelles  au  niveau  des  gènes  du  locus  de  la  β-­globine,   de  loci  soumis  à  l’empreinte  parentale  et  de  gènes  co-­régulés  par  les  mêmes  facteurs  de   transcription367,369,370.   Dans   le   cas   de   la   méthode   5C   (carbon   copy   chromosome   conformation   capture),   des   amorces   chevauchant   des   extrémités   de   fragments   de   restriction   sont   liguées   uniquement   lorsque   les   deux   extrémités   sont   directement   adjacentes.  Ces  produits  de  ligation  sont  ensuite  amplifiés  à  l’aide  d’amorces  universelles  

et  séquencées.  Le  5C  permet  ainsi  de  déterminer  un  grand  nombre  d’interactions  au  sein   de   larges   régions   génomiques371,372.   L’analyse   par   5C   des   interactions   impliquant   des  

TSSs  et  des  éléments  distaux  couvrant  1%  du  génome  humain  a  permis  de  cartographier   plus   de   1000   interactions   distales   dans   chaque   type   cellulaire   étudié.   Ces   travaux   ont   notamment   montré   que   les   éléments   régulateurs   distaux   établissent   rarement   des   contacts   avec   le   gène   le   plus   proche   (environ   7%   des   cas)373.   Chez   la   souris,   le   5C   a   révélé   pour   la   première   fois   l’organisation   du   centre   d’inactivation   du   chromosome   X   en   TADs347.   Enfin,   dans   la   méthode   de   Hi-­C   (high   throughput   3C),   les   extrémités   des  

fragments   de   restriction   sont   marquées   à   la   biotine,   puis   les   produits   de   ligation   sont   enrichis  à  l’aide  de  billes  de  streptavidine,  fragmentés  par  sonication  et  séquencées  à  haut   débit.   Cela   permet   ainsi   de   détecter   toutes   les   interactions   qui   ont   lieu   à   l’échelle   du   génome   de   manière   non   biaisée.   La   première   étude   ayant   utilisé   le   Hi-­C   a   permis   de   confirmer  la  présence  de  territoires  chromosomiques  et  a  identifié,  pour  la  première  fois,   l’existence  de  compartiments  au  sein  du  génome350.  

Malgré   la   capacité   des   approches   basées   sur   le   3C   à   examiner   les   caractéristiques   des   interactions   chromatiniennes   dans   des   populations   de   cellules,   les   propriétés   des   structures  ainsi  identifiées  sont  encore  mal  comprises  à  l’échelle  d’une  seule  cellule.     À   ce   jour,   un   nombre   limité   d’études   a   examiné   l’hétérogénéité   de   l’organisation   tridimensionnelle   du   génome   en   appliquant   la   technique   de   Hi-­C   à   des   cellules   individuelles374,375;;  et  cela  dans  des  types  cellulaires  différents,  au  cours  du  cycle  cellulaire   ainsi   qu’au   cours   de   la   transition   oocyte   à   zygote376–379.   Bien   que   l’ensemble   de   ces   travaux  s’accorde  sur  le  fait  qu’il  existe  une  forte  hétérogénéité  du  repliement  du  génome   à  l’échelle  de  cellules  uniques,  leurs  conclusions  ne  sont  pas  tout  à  fait  identiques.  L’étude   pionnière   de   l’équipe   de   Peter   Fraser,   réalisée   dans   des   lymphocytes   T,   suggère   que   l’organisation  des  contacts  chromatiniens  au  sein  des  TADs  est  conservée,  mais  que  les   interactions  entre  ces  domaines  chromosomiques  sont  différents  d’une  cellule  à  une  autre,   indiquant  l’existence  d’une  grande  variabilité  dans  la  façon  dont  un  chromosome  peut  se   replier376.   Très   récemment,   une   nouvelle   étude   combinant   de   l’imagerie   à   du   HiC   en   cellule   unique,   dans   des   cellules   souches   embryonnaires   de   souris,   a   proposé   que   la   conformation  d’un  TAD  varie  fortement  d’une  cellule  à  une  autre  et  qu’un  TAD  donné  peut   adopter  un  large  répertoire  de  configurations  spatiales  plus  ou  moins  condensées  au  sein   d’une  population  de  cellules377.  Ces  observations  remettent  en  question  la  vision  simpliste  

L’étude   de   l’environnement   hautement   interconnecté   du   noyau   et   de   son   lien   avec   la   régulation  de  l’expression  des  gènes  est  en  plein  essor.  De  nouvelles  techniques  dérivées   de  la  capture  de  la  conformation  des  chromosomes  continuent  à  être  mises  au  point380,381  

notamment   afin   d’augmenter   la   résolution   ainsi   que   la   reproductibilité   de   ces   méthodes,   tout   en   réduisant   les   coûts   de   séquençage   pour   les   rendre   accessibles   à   un   plus   grand   nombre   de   laboratoires.   Par   ailleurs,   la   combinaison   d’approches   basées   sur   l’analyse   d’une   seule   cellule   comme   de   l’imagerie   de   loci   en   temps   réel   comparée   à   du   Hi-­C   combiné  à  l’analyse  du  transcriptome  de  la  même  cellule  par  séquençage  à  haut  débit  des   ARNs  (RNA-­Seq)  permettra  de  mieux  comprendre,  et  éventuellement  de  revoir,  les  règles   régissant  l’organisation  3D  du  génome382.