Notion d’états chromatiniens

Chez les animaux et la levure, de nombreuses études épigénomiques intégratives ont révélé que malgré le très grand nombre de modifications possibles, il existe un nombre limité d’états chromatiniens fonctionnellement différents. Chaque état correspond à une certaine combinaison de marques (Levure : Liu et al. 2005 ; C. elegans : Gerstein et al. 2010 ; Drosophile : Filion et al. 2010 ; Kharchenko et al. 2011 ; Homme : Ernst & Kellis 2010). Chez Arabidopsis, des analyses de la distribution d’un nombre restreint de modifications chromatiniennes (12 à 16) à l’échelle du génome ont révélé que pour les modifications considérées, le génome est également organisé en un nombre limité d’états chromatiniens.

Une première analyse de 12 modifications chromatiniennes couvrant 90 % du génome a révélé qu’il existe, chez Arabidopsis, quatre états chromatiniens qui peuvent être distingués par leur distribution sur le génome et leur impact transcriptionnel (Figure 1.6) (Roudier et al. 2011). Les deux premiers états (Chromatin States, CS1 et 2) sont principalement observables au niveau de séquences riches en gènes (respectivement 54% et 23% des gènes) et présentent des rôles antagonistes. Le CS1 correspond à une chromatine favorable pour la transcription. Cet état est notamment enrichi en marque activatrice du type H3K4me3, H3K36me3, H2Bub et H3K56ac. Le CS2 correspond quant à lui à une chromatine peu favorable à la transcription et est majoritairement associé aux gènes, et dans une moindre mesure au niveau d’éléments transposables et de séquences intergéniques (Figure 1.6B). Cet état est essentiellement enrichi en H3K27me3 mais présente également des H3K27me2 (plus abondants dans le CS3). Le CS3 cible les régions riches en éléments transposables ou séquences répétées, et est enrichi en marques H3K9me2, H4K20me1, H3K27me1, H3K27me2 ainsi qu'en méthylation de l’ADN. Le CS4 est un état distinct des autres, puisqu’il ne semble pas présenter de signature singulière (pas d’enrichissement d’une marque particulière, spécifique de cet état). Cet état cible 10% des gènes, dont la plupart présentent un faible niveau d’expression (similaire au CS2, Figure 1.6C), et les séquences intergéniques (Roudier et al. 2011). Les résultats de cette étude suggèrent que certains de ces mécanismes de régulation sont conservés au sein des organismes, puisque les états obtenus sont similaires à ceux observés chez la Drosophile par Filion et al. (2010).

Plus récemment, une autre étude chez Arabidopsis, analysant 16 marques chromatiniennes et leur position sur la séquence d'ADN révèle une combinaison de 9 états chromatiniens (Sequeira-Mendes et al. 2014). Globalement, les marques corrélées à une forte transcription sont les mêmes que celles obtenues par Roudier et al. (2011). Il en est de même pour les marques corrélées à une faible transcription. L'augmentation du nombre d'état chromatinien dans cette analyse, résulte de la considération de la région ciblée (position sur la séquence d'ADN). Ils observent tout de même un état (état 2 dans cette étude) qui semble intermédiaire aux CS1 et CS2 de Roudier et al. (2011). En effet, cet état, ciblant le promoteur proximal des gènes transcrits, présente un fort enrichissement en marques activatrices (H3K4me3, H3K4me2, H3K36me3 et H2Bub) ainsi qu'un fort enrichissement en H3K27me3 (Sequeira-Mendes et al. 2014).

La chromatine n'est donc pas uniquement restreinte à un état favorable ou répresseur pour la transcription à un locus donné, mais peut présenter une combinaison d'états selon le tissu et la région du gène considéré. Ces mécanismes de régulation impliquent une communication et/ou une coopération entre les différentes marques et les complexes qui les déposent dans le but de réguler correctement l'expression génique. Rappelons que ces études chez Arabidopsis ont été réalisées sur un nombre restreint de modifications (12 et 16). Néanmoins, si on considère de façon globale les marquages chromatiniens observés sur un gène dont la transcription est active ou réprimée, certaines signatures se dégagent. Sur les gènes actifs, on retrouve dans ces études, un fort enrichissement en H3K4me3/2 et H3K36me3, H2Bub, H3.3 et H2A.Z. En plus de ces marques, nous considèrerons l'acétylation des H3K9 (H3K9ac) entant que marque "signature" d'un état transcriptionnel actif. En effet, de nombreuses études ont montré qu'il existe un parallèle entre le gain ou la perte des H3K9ac et le niveau d'expression des gènes (Kim J. M. et al. 2012 ; Malapeira et al. 2012). Bien qu’étant associées à des gènes actifs, rappelons que leur position sur le gène diffère (Tableau 1.1). Au niveau des gènes présentant un faible niveau d’expression, on retrouve principalement la marque H3K27me3. De nombreuses études ont montré que la répression exercée par H3K27me3 au niveau des gènes pouvait être renforcée par le dépôt de H2AUb, cependant son dépôt peut également précéder celui des H3K27me3 (Turck et al. 2007 ; Bratzel et al. 2010 ; Xu & Shen 2008 ; Yang et al. 2013).

Par la suite, nous allons principalement nous focaliser sur la marque chromatinienne H3K27me3. Nous détaillerons dans un premier temps les acteurs associés au dépôt et à la

Tableau 1.2 : Détails des membres du groupe Polycomb (PcG, incluant

PRC1 et PRC2), ainsi que leur fonction au sein du complexe, chez

Arabidopsis thaliana.

La colonne « domaine conservé » correspond au domaine commun à celui

retrouvé chez la Drosophile.

D’après Xiao & Wagner 2015 ; Pu & Sung 2015 et Mozgova & Hennig 2015.

Groupe Complexe Abréviation Nom ^Domaine

conservé ^Fonction

LHP1 ^{LIKE-HETEROCHROMATIN}

PROTEIN1 ^{Chromodomaine Liaison aux H3K27me3} RING1A/B ^{REALLY INTERESTING NEW GENE}

1 A/B ^{RING-finger E3 ubiquitine ligase-H2AKUb} BMI1A/B ^{B LYMPHOMA MO-MLV}

INSERTION REGION 1 HOMOLOG ^{doigt de zinc H2A ubiquitination} EMF1 EMBRYONIC FLOWER 1 - Compaction de la chromatine CLF/SWN/

MEA ^{CURLY LEAF/ SWINGER/ MEDEA SET H3K27me3 tri-méthyltransférase} FIE ^{FERTILIZATION-INDEPENDENT}

ENDOSPERM ^{WD40 Liaison aux H3K27me3}

FIS2/EMF2/ VRN2

FERTILIZATION-INDEPENDENT SEED2 / EMBRYONIC FLOWER2 /

VERNALIZATION 2

doigt de zinc, VEFS box

Stabilité du complexe et stimule l'activité méthyl-transférase

MSI1 MULTICOPY SUPRESSOR of IRA 1 WD40 Liaison aux nucléosomes Polycomb Group (PcG) Polycomb Repressive Complex 2 (PRC2) Polycomb Repressive Complex 1 (PRC1)

dynamique de cette marque, pour présenter ensuite le rôle de H3K27me3 dans la croissance et le développement des plantes.