L’analyse de l’architecture tridimensionnelle du génome permet de mieux comprendre

transcriptionnelle    

Le  syndrome  de  Cornelia  de  Lange  est  une  pathologie  du  développement,  causée  par  des   mutations  de  sous-­unités  ou  de  régulateurs  du  complexe  cohésine,  caractérisée  par  une   dérégulation   modeste   mais   globale   de   l’expression   des   gènes,   que   ce   soit   chez   les   patients  atteints  du  syndrome466,582  ou  dans  des  modèles  animaux  de  la  pathologie518,583–

585_{.  En  particulier,  il  a  été  montré  que  les  mutations  de  NIPBL  associées  au  CdLS  mènent}  

à   une   réduction   de   la   liaison   du   complexe   cohésine582,587   et   que   celles   de   SMC1A   augmentent  l’affinité  du  complexe  cohésine  avec  l’ADN580_{.  Par  ailleurs,  les  patients  ayant}  

des  mutations  dans  NIPBL  et  SMC1A  partagent  des  caractéristiques  phénotypiques,  mais   diffèrent   par   la   sévérité   de   leurs   symptômes,   les   mutations   de   NIPBL   affectant   plus   sévèrement  les  patients491_{.  L’ensemble  de  ces  observations  suggère  que  les  mutations  de}  

ces   facteurs   affectent   des   étapes   du   développement   communes,   mais   que   les   mécanismes  moléculaires  pourraient  être  quelque  peu  différents.    

Dans  le  Chapitre  2  de  cette  thèse,  nous  présentons  des  travaux  décrivant  que  la  majorité   des   gènes   dérégulés   dans   le   CdLS   ne   sont   pas   directement   liés   par   NIPBL   et   SMC1A   dans  des  cellules  normales,  mais  qu’ils  sont  organisés  dans  des  communautés  de  gènes   centrées  sur  l’ARN  Pol  II  où  ils  interagissent  avec  des  régions  liant  ces  facteurs  par  des  

contacts   chromosomiques.   Nous   montrons   également   que   bien   que   très   peu   de   gènes   dérégulés  soient  partagés  dans  les  cellules  ayant  des  mutations  de  SMC1A  ou  NIPBL,  un   grand   nombre   de   communautés   contenant   des   gènes   différentiellement   exprimés   sont   communes   aux   deux   mutations.   Or,   il   a   été   montré   que   les   communautés   de   gènes   organisent   des   gènes   impliqués   dans   la   même   fonction   ou   dans   des   fonctions   complémentaires   et   il   a   été   proposé   que   cela   permet   de   coordonner   la   réponse   à   des   stimuli  externes545_{.  De  plus,  il  a  été  décrit  que  les  interactions  chromosomiques  associées}  

à  l’ARN  Pol  II  sont  en  partie  tissu-­spécifiques365,543,621_{.  Par  ailleurs,  il  est  important  de  noter}  

que  l’architecture  chromosomique  est  réorganisée  au  cours  de  la  différenciation351_{.  Ainsi,}  

nous   proposons   que   les   communautés   de   gènes   constituent   un   type   d’organisation   fonctionnelle   des   gènes   conservé   tout   au   long   de   la   différentiation,   mais   regroupant   différents   gènes   en   fonction   du   type   cellulaire.   Dans   le   contexte   du   CdLS,   l’organisation   des  communautés  de  gènes,  qui  est  en  partie  régulée  par  NIPBL  et  le  complexe  cohésine,   pourrait   être   affectée   menant   ainsi   à   une   réponse   inadéquate   à   des   signaux   développementaux,   expliquant   les   caractéristiques   phénotypiques   partagées   entre   les   patients  ayant  des  mutations  de  NIPBL  ou  SMC1A.    

Toutefois,   les   conséquences   des   mutations   de   NIPBL   et   SMC1A   sur   la   liaison   du   complexe   cohésine   étant   distinctes580,582,587,597,   la   façon   dont   l’architecture   des   communautés   serait   affectée   pourrait   être   différente.   En   effet,   les   mutations   haploinsuffisantes   de   NIPBL   mènent   à   une   réduction   des   niveaux   de   cohésine   sur   la   chromatine582,587  _{alors  que  ce  n’est  pas  le  cas  pour  les  mutations  de  SMC1A.  Par  ailleurs,}  

une   étude   récente   propose   que   NIPBL   charge   le   complexe   cohésine   au   niveau   des   promoteurs  des  gènes  actifs,  à  partir  desquels  il  est  transloqué  par  l’action  de  l’ARN  Pol   II433  _{par  la  suite.  Ainsi,  puisque  les  mutations  de  SMC1A  associées  au  CdLS  mènent  à  une}  

augmentation  de  l’affinité  de  la  cohésine  pour  l’ADN580,  cela  pourrait  affecter  la  capacité  de   translocation  du  complexe  le  long  de  la  chromatine  et  pourrait  mener  à  une  accumulation   au  niveau  des  TSS  des  gènes.  En  accord  avec  cela,  il  a  été  montré  que  les  niveaux  du   complexe   cohésine   étaient   significativement   enrichis   aux   promoteurs   de   gènes   dont   l’expression  est  affectée  dans  des  cellules  dérivées  de  patients  ayant  des  mutations  pour   SMC1A597_{.   En   considérant   l’ensemble   de   ces   observations,   nous   proposons   que   les}  

mutations   de   NIPBL   et   SMC1A   pourraient   déstabiliser   ou   stabiliser   l’architecture   de   communautés   des   gènes   et   ultimement   mener   à   des   défauts   de   réponse   à   des   signaux   environnementaux.  Autrement  dit,  au  cours  du  développement,  les  gènes  répondant  à  un   stimulus   environnemental   donné   seraient   en   contact   et   corégulés   au   sein   de  

communautés   de   gènes.   Dans   le   cas   de   mutations   de   NIPBL   ou   de   SMC1A,   des   interactions  au  sein  de  ces  structures  seraient  déstabilisées  ou  stabilisées,  menant  à  une   expression   inadéquate   de   certains   gènes   au   sein   d’une   communauté.   En   accord   avec   cela,   il   a   été   montré   que   l’expression   des   gènes   d’une   même   communauté   est   différentiellement   affectée   en   fonction   du   contact   chromosomique   qui   est   aboli546_{.   De}  

manière   similaire,   les   gènes   d’une   communauté   donnée   pourraient   alors   être   différentiellement  affectés  en  fonction  du  facteur  muté  puisque  les  mutations  de  NIPBL  et   SMC1A  ont  des  effets  différents  sur  le  complexe  cohésine  et  affecte  donc  potentiellement   différemment  certains  contacts  au  sein  d’une  communauté. L’organisation  des  interactions   chromatiniennes   dans   des   cellules   de   patients   atteints   du   CdLS   n’étant   pas   encore   disponible,  il  serait  très  intéressant  de  les  générer.  De  plus,  une  autre  façon  de  tester  nos   hypothèses   serait   d’intégrer   des   données   d’expression   d’autres   types   cellulaires   dérivés   de  patients  atteints  du  CdLS  à  l’architecture  chromosomique  des  mêmes  cellules.  Enfin,  il   serait   intéressant   d’analyser   comment   CTCF   s’intègre   à   l’architecture   des   communautés   de   gènes.   En   effet,   CTCF   a   été   retrouvé   dans   une   analyse   protéomique   des   usines   transcriptionnelles  de  l’ARN  Pol  II541  _{et  des  mutations  de  CTCF  ont  également  été  liées  à}  

un   trouble   développemental   caractérisé   par   un   handicap   mental   ainsi   qu’un   retard   de   croissance558,559_{,  des  phénotypes  partagés  avec  le  CdLS.}      

Dans   le   contexte   de   l’étude   présentée   dans   le   Chapitre   2,   l’intégration   de   l’architecture   chromosomique   apporte   une   information   essentielle   pour   tenter   d’expliquer   les   changements   d’expression   observés   dans   le   CdLS.   En   accord   avec   un   lien   entre   l’organisation  spatiale  du  génome  et  les  défauts  d’expression  associés  à  cette  pathologie,   une   étude   récente   a   montré   une   diminution   des   interactions   promoteur-­enhancer,   associée  à  une  réduction  de  la  liaison  du  complexe  cohésine,  au  niveau  des  gènes  sous-­ exprimés  dans  des  MEFs  de  souris  Nipbl  +/-­587.  Comme  mentionné  dans  la  partie  1.3.3.3   de   cette   thèse,   la   perturbation   de   l’architecture   chromosomique   a   été   associée   avec   le   développement   de   cancers   et   de   malformations   congénitales.   En   particulier,   l’annotation   des   frontières   de   TADs   a   permis   de   comprendre   comment   la   variation   structurale   du   génome  humain  provoque  des  phénotypes  pathogéniques556_{.  De  plus,  une  étude  récente}  

analysant  le  "connectome"  des  enhancers  dans  des  cellules  primaires  humaines  a  permis   d’identifier   des   gènes   cibles   d’éléments   génomiques   non   codants   associés   à   des   pathologies683_{.   Ainsi,   l’étude   de   l’architecture   tri-­dimensionnelle   du   génome   a   une}  

importance   indéniable   dans   l’amélioration   de   la   compréhension   des   mécanismes   physiologiques  et  pathologiques  impliqués  dans  la  régulation  de  la  transcription  et  cela  va  

surement   pousser   le   domaine   de   recherche   à   systématiquement   interroger   ce   type   de   régulation   dans   l’avenir.   Des   consortiums   comme   ENCODE605   _{et   FANTOM5}684   _{ont   déjà}  

grandement   contribué   à   cartographier   et   à   caractériser   les   régions   régulatrices   non   codantes   du   génome.   Toutefois,   avec   la   mise   au   point   de   techniques   d’étude   de   la   conformation  des  chromosomes  de  plus  en  plus  abordables,  reproductibles  et  de  meilleure   résolution,   la   prochaine   aire   des   approches   "omiques"   sera   surement   celle   de   la   "connectomique",  comme  en  atteste  le  nouveau  projet  4D  nucleome685.