Epigénétique et structure de la chromatine

La chromatine est constituée d’un enchainement de nucléosomes qui sont issus de l’enroulement de 147 paires de bases (pb) d’ADN autour d’un octamère de protéines histones composé de 2 copies de chacune

des histones H2A, H2B, H3 et H4 (Luger et al., 1997). Ce nucléosome est verrouillé par l’apposition

Figure I.10. Présentation des 4 états chromatiniens identifiés au niveau de l’épigénome d’Arabidopsis.

(A) Composition en marques épigénétiques des 4 états prédominants de la chromatine (CS) identifiés chez

Arabidopsis. Chaque ligne donne la composition en marque d’un CS (CS1 à CS4). Chaque colonne

correspond à l’une des 12 marques épigénétiques utilisées lors de l’étude. Une coloration des cases allant du violet clair (25 %) au violet foncé (100 %) indique la distribution des marques entre les 4 CS. Le pourcentage de gènes indexés par CS1, CS2 et CS4 et le pourcentage d’annotations TE indexées par CS3 sont également

indiqués à droite. (B) Proportion relative de chaque élément génomique dans chacun des CS. (C)

Représentation des différents états chromatiniens le long du chromosome 4 d’Arabidopsis. Chaque CS est

représenté avec la même couleur que celle utilisée dans les figures A et B. Le centromère est indiqué par un C et le knob hétérochromatinien par un K. La partie non séquencée du centromère est représentée par un ligne noire verticale. Le niveau d’expression des différents éléments et l’état chromatinien où ils se trouvent au niveau d’une portion du chromosome 4 sont représentés dans la partie inférieure de la figure. La coloration grise à noire du niveau d’expression indique des niveaux faibles à des niveaux fort d’expression. Adaptée de

Roudieret al.(2011).

11 nucléosomes ainsi formés sont liés entre eux par de l’ADN « linker » afin de former la chromatine. La chromatine se retrouve par la suite condensée sous différents états par repliements successifs menant à

la formation de chromatides puis de chromosomes (FigureI.9).

La chromatine est sujette à différentes modifications telles que la méthylation de l’ADN, les modifications de l'extrémité N terminale des protéines histones, l’incorporation de variants histones et à l’action de divers facteurs tels que des protéines appelées facteurs de remodelage de la chromatine et les petits ARN. L’ensemble de ces processus mènent à l’établissement de différents états de la

chromatine qui régulent l’accès à l’ADN (Kouzarides, 2007 ; Berger, 2007). La transcription (Lee et

al., 2010) et la réplication du génome (Suzanne Dorn & Cook, 2011) sont étroitement dépendants de

l’accessibilité à l’ADN. La chromatine se retrouve naturellement dans le noyau des cellules eucaryotes sous trois formes appelées euchromatine, hétérochromatine constitutive et hétérochromatine facultative. L’euchromatine est l’état de la chromatine qui est associé à des gènes actifs (exprimés) et l’hétérochromatine à des gènes inactifs (non exprimés).

Chaque état de la chromatine est étroitement lié au statut épigénétique des histones et de l’ADN la constituant. Différentes marques épigénétiques sont aujourd’hui connues au niveau de l’ADN et des protéines histones. Au niveau de protéines histones ces marques sont apposées de manière post-traductionnelle. Les combinaisons de marques histones, des variants histones et de la méthylation de l’ADN sont essentielles dans l’établissement des différents états chromatiniens qui régissent l’accessibilité ou non aux différents éléments génomiques de l’ADN.

En fonction des combinaisons de ces marques, l’épigénome conduirait à la mise en place de différents

états chromatiniens. Des travaux réalisés chez A. thaliana confirment l’effet des marques épigénétiques

sur la structure de la chromatine. Roudier et al. (2011) ont montré en utilisant 12 marques

chromatiniennes couvrant environ 90 % du génome d’Arabidopsis, que l’épigénome conduirait à la

mise en place de 4 états prédominants de la chromatine nommés de CS1 à CS4 (FigureI.10A). Dans

chacun de ces états CS, on retrouverait des régions génomiques spécifiques. Par exemple, l’état CS3 est constitué majoritairement d’éléments transposables (TE) et les états CS1 et CS2 sont majoritairement

associés aux gènes (FigureI.10B). L’état CS1 est plutôt associé à des régions transcriptionnellement

actives et le CS4 à des régions transcriptionnellement réprimées (FigureI.10C ; Roudier et al., 2011).

Une autre étude plus récente réalisée par Sequeira-Mendes et al. (2014) sur la totalité du génome

d’Arabidopsis a montré l’existence de 9 états chromatiniens distincts en utilisant 11 modifications

histones, la méthylation de l’ADN en CG, l’occupation des nucléosomes et trois variants histones. L’état chromatinien 1 contient un large set de modifications d’histones associées à un état de la chromatine ouvert/actif et l’état 9 correspond aux régions hétérochromatiniennes péricentromériques

Figure I.11. Définition et localisation au niveau des éléments du génome des 9 états chromatiniens identifiés par Sequeira-Mendes et al. (2014). (A) Graphique des 9 états de la chromatine définis par une combinaison spécifiques de marques. Les scores z positifs et négatifs présents sur l’axe y indiquent respectivement des valeurs supérieures ou inférieures à la moyenne dans le génome de chacune des marques de

la chromatine considérées. Les barres d'erreur représentent l’écart type à la moyenne. (B) Relation entre les

différents éléments génomiques et les états chromatiniens. Le chevauchement (en pb) entre les éléments génomiques étudiés et chaque état chromatinien a été calculé puis exprimé en pourcentage (indiqué sur l’axe y). Pour l’élément promoteur, une région de 0,65 kb a été utilisée. Dans cette figure, la classe TE fait référence aux régions génomiques qui contiennent des TE mais ne se chevauchent pas avec les gènes de type TE.

Adaptée de Sequeira-Mendeset al.(2014).

12 préférentielle des différents éléments génomiques à l’intérieur de chaque état chromatinien a été décelée. Les états 1 à 3 sont très similaires au niveau des marques histones mais diffèrent au niveau des proportions dans lesquelles elles sont présentes dans les différents éléments du génome (5’UTR, CDS…). L’état chromatinien 4 contient en grande majorité les régions non codantes intergéniques. L’état chromatinien 5 correspond à des régions chromatiniennes régulées par le complexe polycomb avec un haut niveau de marque H3K27me3 (cf. paragraphe 2.3.2) et un niveau modéré H2A.Z similaire

à celui identifié par Roudier et al. (2011). Les états chromatiniens 6 et 7 sont typiques des régions

intragéniques avec un enrichissement en marque H2A.Z, une forte densité en nucléosomes. En plus, l’état 6 possède des marques H3K4me1 typiques des méthylations corps gène. L’état chromatinien 8 se situe préférentiellement dans les régions intergéniques et dans les éléments transposables et enfin l’état chromatinien 9 correspond aux régions hétérochromatiniennes péricentromériques majoritairement

situées au niveau des régions intergéniques et des éléments transposables (FigureI.11B).