La protéine architecturale CTCF 56

Le   repliement   du   génome   dans   l’espace   nucléaire   est   en   partie   établi   par   une   classe   particulière  de  protéines  architecturales,  parmi  laquelle  CTCF  (CCCTC-­binding  factor)  est   le   facteur   le   mieux   caractérisé.   CTCF   crée   des   frontières   entre   les   domaines   topologiquement   associés   des   chromosomes,   et   au   sein   de   ces   domaines,   facilite   les   interactions  entre  des  séquences  régulatrices  de  la  transcription  (Figure  1.19).  La  liaison   de  CTCF  mène  à  des  conséquences  fonctionnelles  spécifiques  qui  sont  dépendantes  du   contexte   et   déterminées   par   la   nature   des   séquences   rapprochées   et   par   les   protéines   avec  lesquelles  elles  interagissent.  Ainsi  CTCF  permet  de  lier  l’architecture  du  génome  à   ses  fonctions383_.    

La  protéine  CTCF  est  conservée  chez  la  majorité  des  bilatériens,  mais  est  absente  chez  la   levure,   le   vers   et   les   plantes384_{.   De   plus,   elle   est   exprimée   de   manière   ubiquitaire   et   est}  

essentielle   au   développement   embryonnaire385,386_{.   CTCF   se   lie   à   l’ADN   grâce   à   son}  

domaine  central  à  11  doigts  de  zinc  fortement  conservé387  _{(Figure  1.19.A)  qui  reconnaît  un}  

motif  de  liaison  non  palindromique  de  52  paires  de  bases388,389_{.  Chez  les  mammifères,  le}  

facteur   CTCF   est   localisé   au   niveau   de   55000   à   65000   sites   de   liaison390.   Approximativement  45%  de  ces  sites  sont  retrouvés  dans  des  régions  inter-­géniques,  15%   sont  proches  de  promoteurs  et  40%  sont  intra-­géniques390,391.  De  plus,  autour  de  30  à  60%   des   sites   de   liaison   de   CTCF   montrent   une   distribution   spécifique   en   fonction   du   type   cellulaire391–394   et   des   changements   de   méthylation   de   l’ADN   au   niveau   de   ces   sites   variables   sont   souvent   corrélés   avec   une   liaison   différentielle   de   CTCF.   Cependant,   la   sensibilité  de  la  liaison  de  CTCF  à  la  méthylation  de  l’ADN  et  le  lien  causal  entre  ces  deux  

évènements   sont   controversés.   Par   ailleurs,   la   liaison   de   CTCF   peut   également   être   modulée  par  des  modifications  post-­traductionnelles  de  la  protéine  ou  par  son  interaction   avec  d’autres  protéines  ainsi  que  des  ARNs  non  codants  au  niveau  de  certains  loci383_.    

  Figure  1.19:  La  protéine  architecturale  CTCF395.  

A.   Structure   primaire   de   CTCF.   B.   Représentation   schématique   des   fonctions   de   CTCF,  

en  collaboration  avec  le  complexe  cohésine,  dans  la  régulation  de  l’organisation  3D  de  la   chromatine  en  lien  avec  la  transcription.  

Les  diverses  fonctions  de  CTCF  dans  la  régulation  de  la  topologie  du  génome  passent  par   sa   capacité   à   rapprocher   des   séquences   génomiques   qui   sont   éloignées   sur   le   génome   linéaire   (Figure   1.19.B).   CTCF   a   initialement   été   caractérisée   comme   une   protéine   insulatrice   capable   de   limiter   les   interactions   promoteur-­enhancer   à   la   fois   dans   des   plasmides  rapporteurs  et  dans  leur  environnement  génomique  natif396,397(exemple  :  Figure   1.14.B).   Cependant,   d’autres   observations   semblent   contredire   l’idée   d’un   rôle   prédominant  de  CTCF  dans  le  blocage  des  enhancers.  En  effet,  une  étude  analysant  les   interactions  distales  entre  des  promoteurs  et  des  séquences  régulatrices  par  5C  a  montré   que  79%  de  ces  interactions  ne  sont  pas  bloquées  par  la  présence  d’un  ou  de  plusieurs   sites  CTCF  intermédiaires.    Au  contraire,  un  certain  nombre  de  ces  éléments  distaux  ont   été  retrouvés  enrichis  pour  CTCF373_{.  D’autres  études  ont  suggéré  que  CTCF  jouait  un  rôle}  

important  dans  le  ciblage  d’éléments  régulateurs  à  leur(s)  promoteur(s)  respectif(s).  À  titre   d’exemple,   des   travaux   portant   sur   l’étude   de   la   localisation   génomique   de   CTCF   par   ChIP-­Seq   (chromatin   immunoprecipitation   coupled   with   massively   parallel   DNA   sequencing)   ont   identifié   un   chevauchement   significatif   entre   les   sites   de   liaison   tissu-­ spécifiques   de   CTCF   et   des   éléments   enhancer398.   Enfin,   il   a   également   été   montré   que   CTCF   est   important   pour   réguler   l’expression   de   clusters   complexes   de   gènes   au   sein  

desquels   des   séquences   régulatrices   sont   éloignées   de   certains   de   leurs   gènes   cibles.   CTCF   est   par   exemple   un   régulateur   clé   des   gènes   de   protocadhérines   dans   les   neurones399_.    

D’autres  rôles  topologiques  de  CTCF  ont  été  rapportés  dans  la  littérature.  En  effet,  il  a  été   suggéré   que   CTCF   influence   la   recombinaison   V(D)J   au   niveau   des   gènes   d’immunoglobulines   et   des   récepteurs   des   lymphocytes   T   en   régulant   des   interactions   enhancer-­promoteur  ainsi  que  la  compaction  des  loci400–403_{.  De  plus,  des  études  indiquent}  

que   CTCF   peut   contrôler   à   la   fois   la   pause   de   l’ARN   Pol   II   et   l’épissage   alternatif   des   ARNm  en  mettant  en  place  des  interactions  au  sein  même  des  gènes404,405_.      

Un   des   rôles   clés   de   CTCF   dans   l’organisation   3D   de   la   chromatine   est   son   implication   dans   la   démarcation   de   frontières   au   niveau   des   structures   de   repliement   du   génome   (Figure   1.19.B).   En   effet,   les   frontières   des   TADs   sont   enrichies   en   CTCF   chez   la   drosophile   ainsi   que   les   mammifères346,406.   Cependant,   uniquement   15%   des   sites   de   liaison   de   CTCF   chez   les   mammifères   sont   localisés   au   sein   d’une   frontière  ;;   la   majorité   des   sites   se   retrouvant   à   l’intérieur   des   TADs   et   participant   probablement   à   des   interactions   intra-­TAD407_{.   Cela   suggère   que,   seul,   CTCF   ne   suffit   pas   à   établir   des}  

frontières.  En  accord  avec  cela,  il  a  été  montré  que  la  perte  de  fonction  de  CTCF  dans  des   lignées  cellulaires  humaines  n’affecte  pas  fortement  les  frontières  de  TADs  mais  réduit  les   interactions   intra-­domaines   et   augmente   les   contacts   inter-­domaines408_{.   Bien   que   la}  

délétion  de  CTCF  ne  fût  pas  totale,  cette  étude  suggère  que  d’autres  facteurs  pourraient   intervenir  dans  la  séparation  des  différents  TADs.  Les  vertébrés  pourraient  alors  adopter   une  stratégie  similaire  à  celle  utilisée  par  les  cellules  de  drosophile  où  CTCF  s’associe  à   de  nombreuses  autres  protéines  architecturales  au  niveau  des  frontières  de  TADs383,409,410_.    

Il  est  intéressant  de  noter  que  la  probabilité  ainsi  que  la  force  des  interactions  entre  deux   sites   CTCF   sont   dictées   par   l’orientation   des   motifs   CTCF.   Dans   les   cellules   de   mammifères,  des  données  de  Hi-­C  à  haute  résolution  ont  montré  que  la  grande  majorité   des  interactions  distales  basées  sur  CTCF  ont  lieu  entre  des  motifs  convergents349_{.  Cette}  

découverte  suggère  que  les  protéines  CTCF  liées  à  l’ADN  au  niveau  des  sites  d’ancrage   de  boucles  chromatiniennes  s’alignent  dans  une  configuration  tête-­tête.  Cette  observation   a  été  confirmée  par  des  études  utilisant  les  techniques  de  ChIA-­PET  et  de  4C,  bien  que   des   interactions   entre   des   sites   CTCF   organisés   en   tandem,   à   une   fréquence   moindre,   aient   également   été   identifiées365,411_{.   De   plus,   il   a   été   montré   que   des   paires   de   motifs}  

partiellement  corrélée  à  l’orientation  des  motifs  CTCF365_{,  ce  qui  suggère  un  rôle  potentiel}  

de   CTCF   et   des   boucles   de   chromatine   dans   le   renforcement   de   la   directivité   de   la   synthèse  d’ARN.  

L’orientation   des   motifs   CTCF   est   importante   pour   la   formation   des   boucles   chromatiniennes.   En   effet,   l’inversion   d’un   motif   CTCF   au   niveau   d’une   paire   de   sites   convergents   engagés   dans   une   interaction   perturbe   la   boucle411,413_{,   ce   qui   suggère   que}  

l’orientation   convergente   est   centrale   à   l’interactivité   entre   des   paires   éloignées   de   sites   CTCF.   L’inversion   expérimentale   de   clusters   de   sites   CTCF   au   niveau   des   loci   de   la   protocadhérine  et  de  la  β-­globine  perturbe  le  repliement  local  de  la  chromatine  et  permet   l’accès  au  cluster  inversé  de  CTCF  à  des  régions  précédemment  isolées  en  aval  du  site   CTCF413_{.   Il   est   intéressant   de   noter   que   ce   changement   dans   la   topologie   locale   de   la}  

chromatine   est   accompagné   d’une   sous-­expression   des   gènes   ciblés   par   la   boucle   endogène,   sans   induire   une   augmentation   correspondante   dans   l’expression   des   gènes   nouvellement  ciblés.  Ces  résultats  suggèrent  que  la  formation  de  boucles  chromatiniennes   est  nécessaire,  mais  probablement  pas  suffisante,  pour  la  transcription.  D’autres  travaux   ont  procédé  à  l’inversion  de  motifs  uniques  de  CTCF  engagés  dans  des  boucles.  Malgré   des  niveaux  de  recrutement  similaires  de  CTCF,  cette  inversion  abroge  la  formation  de  la   boucle,   et,   dans   un   cas,   altère   l’expression   du   gène   voisin,   mais   est   insuffisante   pour   rediriger   des   interactions   distales411_{.   Ainsi,   la   perturbation   de   clusters   de   sites   CTCF}  

pourrait   avoir   des   effets   plus   importants   sur   l’architecture   chromatinienne   locale   que   la   perturbation  de  sites  uniques  de  liaison.  Étant  donné  que  les  boucles  se  forment  entre  des   paires   de   sites   CTCF   convergents,   la   résultante   de   l’altération   d’un   site   dépend   de   l’organisation   des   sites   CTCF   environnants   et   est   alors   hautement   dépendante   du   contexte  génomique414_{.  Néanmoins,  le  fait  que  certaines  boucles  délimitent  des  frontières}  

de   domaines   alors   que   d’autres,   localisées   au   sein   des   TADs,   ne   constituent   pas   des   éléments  barrières  reste  à  élucider.