La chromatine interphasique est organisée de façon hiérarchique 48

L’organisation  des  génomes  eucaryotes  change  au  cours  du  cycle  cellulaire.  En  effet,  les   chromosomes  passent  d’une  forme  mitotique  caractéristique  à  un  profil  élaboré  de  plis  et   de  boucles  lorsqu’ils  se  décondensent  au  cours  de  la  phase  G1332–334.  Les  chromosomes   se   replient   alors   en   domaines,   en   compartiments   et   enfin   en   territoires   chromosomiques   (Figure   1.17).   Ainsi,   l’organisation   hiérarchique   du   génome   en   interphase   permet   de   réguler   des   fonctions   nucléaires   primordiales.   Cela   permet   par   exemple   de   préserver   l’intégrité   du   génome   en   réprimant   la   recombinaison   inappropriée   entre   des   séquences  

répétées335,336_{.  De  plus,  les  unités  de  repliement  définissent  des  domaines  de  réplication}  

au  cours  de  la  phase  S  du  cycle  cellulaire337_{.  Enfin,  sachant  que  les  éléments  régulateurs}  

des  gènes  et  leurs  cibles  peuvent  être  séparés  par  de  grandes  distances  génomiques  qui   doivent   être   rapprochées   tout   en   maintenant   la   spécificité   de   la   régulation,   le   repliement   spatial   du   génome   en   domaines   facilite   la   régulation   transcriptionnelle.   Nous   nous   concentrerons   dans   cette   partie   sur   le   rôle   de   l’organisation   du   génome   dans   ce   dernier   contexte.    

Figure  1.17:  La  chromatine  interphasique  est  organisée  de  façon  hiérarchique.327   Dans  le  noyau  en  interphase,  des  boucles  chromatiniennes  permettent  de  rapprocher  des   régions   régulatrices   comme   des   enhancers   de   leurs   gènes   cibles.   Par   la   suite,   des   boucles   de   différents   types   se   replient   sur   elles-­mêmes   pour   former   des   domaines   topologiquement   associés   (TADs)   qui   constituent   l’unité   de   base   de   l’organisation   de   la   chromatine.   Le   repliement   de   TADs   ayant   une   combinaison   similaire   de   marques   chromatiniennes   forme   deux   compartiments   distincts,   qui   s’organisent   ultimement   en   territoires  chromosomiques.    

Le  premier  niveau  de  repliement  supérieur  du  génome  est  caractérisé  par  la  formation  de   boucles  chromatiniennes  de  divers  types.  Certaines,  au  sein  même  d’un  gène,  permettent   de   rapprocher   un   site   de   terminaison   de   la   transcription   de   son   propre   promoteur338_.  

Principalement   identifiées   chez   la   levure,   il   est   proposé   que   ces   boucles   mènent   à   un   renforcement   de   la   direction   de   la   synthèse   de   l’ARN   à   partir   du   promoteur339_{.   D’autres}  

boucles  chromatiniennes  permettent  de  rapprocher  les  éléments  régulateurs  distaux  de  la   transcription   de   leurs   gènes   cibles.   Les   plus   étudiées   sont   les   interactions   enhancer-­ promoteur.   Un   autre   exemple   bien   connu   de   ce   type   d’interactions   est   le   LCR   (locus   control   region)   de   la   β-­globine   qui   interagit   fortement   avec   ses   gènes   cibles,   par   l’intermédiaire  de  contacts  chromatiniens,  dans  les  cellules  érythroïdes  où  la  β-­globine  est   active,   alors   qu’il   ne   montre   que   peu   ou   pas   d’interaction   dans   d’autres   types   cellulaires   comme   des   cellules   souches   ou   neuronales340_{.   Il   a   été   proposé   que   ces   interactions}  

forment   un   foyer   chromatinien   actif   où   de   fortes   concentrations   locales   en   facteurs   de   transcription   et   en   ARN   Pol   II   mènent   à   la   transcription328_{.   D’autres   types   de   contacts}  

chromatiniens   sur   de   longues   distances   comme   des   associations   spatiales   entre   des   gènes   ont   également   été   identifiées.   C’est   le   cas,   par   exemple,   de   gènes   co-­régulés   et   activement   transcrits   chez   la   souris341   _{ou  de  gènes  réprimés  par  les  protéines  Polycomb}  

chez  la  drosophile342  _{ou  dans  les  cellules  de  mammifères}343–345_.  

À   l’échelle   suivante,   l’unité   de   base   du   repliement   des   chromosomes   en   interphase   consiste  en  des  domaines  de  l’ordre  de  la  mégabase,  appelés  domaines  topologiquement   associés  (TADs,  pour  topologicaly  associated  domains)  (Figure  1.17).  Ces  domaines  sont   définis   comme   des   régions   du   génome   qui   interagissent   préférentiellement   entre   elles   (deux   à   trois   fois   plus)   plutôt   qu’avec   des   régions   situées   en   dehors   du   TAD346,347.   Les   frontières   des   TADs   sont   enrichies   en   protéines   isolatrices   comme   CTCF   (détectée   sur   environ   76%   des   frontières),   en   MPTs   actives   comme   H3K4me3   et   H3K36me3,   en   transcrits  naissants,  en  gènes  de  ménage  (présents  dans  environ  34%  des  frontières),  et   en   éléments   répétés346_{.   Il   est   intéressant   de   noter   que   les   TADs   de   mammifères   ont}  

souvent  des  configurations  imbriquées346  _{où  des  TADs  plus  larges  incluent  des  TADs  plus}  

petits.   Cette   organisation   hiérarchique   rend   l’identification   des   TADs   hautement   dépendante   de   la   résolution   des   données   de   conformation   utilisées   et   de   l’échelle   à   laquelle   elles   sont   analysées348.   À   la   plus   forte   résolution   atteinte   à   ce   jour,   les   cartes   topologiques   montrent   que   les   plus   petits   TADs   de   mammifères,   également   nommés   domaines  de  contact  à  cette  échelle,  ont  une  taille  allant  de  40kb  à  3Mb,  avec  une  taille   médiane  de  185kb349.    

Les   domaines   topologiquement   associés   possédant   une   combinaison   similaire   de   marques   chromatiniennes   ont   tendance   à   s’associer   ensemble   afin   de   former   deux   compartiments   génomiques   distincts.   Le   compartiment   A   contient   la   plupart   des   régions   transcriptionnellement   actives,   alors   que   le   compartiment   B   contient   principalement   des   régions   transcriptionnellement   inactives   et   pauvres   en   gènes350_{.   Ces   compartiments}  

peuvent  être  sous-­divisés  en  six  sous-­compartiments  (2  pour  le  compartiment  A  et  4  pour   le   compartiment   B)349_{.   Il   est   important   de   noter   que   bien   que   les   TADs   soient}  

principalement   considérés   comme   étant   conservés   entre   différents   types   cellulaires,   les   compartiments  ne  le  sont  pas  et  les  TADs  peuvent  passer  d’un  compartiment  à  un  autre   de   manière   tissu-­spécifique350,351_{.   La   régulation   de   la   mise   en   place   de   cette}  

compartimentation  n’est  pas  encore  bien  comprise.  Cependant,  la  transcription  ainsi  que   la  composition  de  la  chromatine  pourraient  jouer  un  rôle  important.  En  effet,  il  a  été  montré   que  le  recrutement  artificiel  de  la  methyltransférase  SUV39H1  catalysant  la  triméthylation   de  la  lysine  9  de  l’histone  H3  (H3K9me3)  peut  induire  l’interaction  ectopique  d’un  TAD  du   compartiment   A   avec   un   TAD   du   compartiment   B352.   Il   est   intéressant   de   noter   que   la   susceptibilité   au   repositionnement   nucléaire   varie   entre   les   loci352_{,   ce   qui   suggère}  

l’implication   d’autres   déterminants   qui   n’ont   pas   encore   été   caractérisés.   Il   a   également   été   décrit   que   des   loci   spécifiques   ont   tendance   à   s’associer   en   trans   au   sein   des   compartiments.   C’est   le   cas   par   exemple   des   clusters   de   sites   liés   par   Nanog,   Oct4   et   Sox2353   ou   des   loci   liés   par   Polycomb   dans   les   cellules   souches   embryonnaires   de   souris343.    

Au   niveau   d’organisation   suivant,   les   compartiments   d’un   chromosome   interagissent   principalement   avec   d’autres   compartiments   du   même   chromosome,   ce   qui   entraîne   la   formation  de  territoires  chromosomiques  (TCs)  où  chaque  chromosome  occupe  un  volume   délimité   dans   le   noyau   (Figure   1.17).   Par   ailleurs,   des   interactions   entre   compartiments   portés   par   différents   chromosomes   existent   également   et   ont   essentiellement   lieu   au   niveau   des   frontières   des   TCs331_{.   L’observation   de   ces   derniers,   provenant   initialement}  

d’études  par  hybridation  in  situ  avec  des  sondes  de  peinture  chromosomique354,355,  a  plus   tard   été   validée   par   des   données   de   conformation   des   chromosomes   à   l’échelle   du   génome   qui   ont   montré   que   les   interactions   entre   des   loci   du   même   chromosome   sont   beaucoup  plus  fréquentes  que  les  contacts  en  trans  entre  différents  chromosomes350.