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Qu’est-­‐ce qu’une communauté de gènes ? 154

CHAPITRE  5   : Discussion 151

5.2   Qu’est-­‐ce qu’une communauté de gènes ? 154

Dans  le  Chapitre  2  nous  avons  défini  une  communauté  de  gènes  comme  étant  un  réseau   d’interactions  chromosomiques  centrées  sur  l’ARN  Pol  II  établissant  un  lien  entre  au  moins   deux   promoteurs   de   gènes   différents.   Nous   montrons   également   que   ces   communautés   sont   majoritairement   composées   de   gènes   transcrits   (86%   des   gènes)   et   exprimés   à   un   niveau  plus  élevé  que  des  gènes  non  organisés  en  communautés.  De  plus,  ces  structures   se   forment   majoritairement   à   l’intérieur   d’un   TAD,   même   si   12%   des   communautés   se   créent   entre   des   TADs   différents.   Enfin,   les   communautés   de   gènes   font   le   lien   entre   différents  types  de  régions  régulatrices  et  impliquent  majoritairement  des  interactions  entre   TSSs,   mais   également   entre   des   TSSs   et   des   régions   transcrites   ou   enhancers.   Par   ailleurs,  la  position  centrale  de  NIPBL  et  du  complexe  cohésine  au  sein  des  communautés   de  gènes  suggère  un  rôle  important  de  ces  facteurs,  essentiellement  impliqués  dans  des   interactions   promoteur-­promoteur,   dans   la   régulation   de   ces   structures.   Toutefois,   de   nombreuses  questions  restent  sans  réponse  :    

-­   Comment  se  forment  les  communautés  de  gènes  ?    

-­   Quels  sont  les  déterminants  moléculaires  de  ces  structures  ?    

-­   Quelles  sont  les  règles  gouvernant  la  communication  entre  les  gènes  ?    

Bien   que   les   mécanismes   de   régulation   des   communautés   de   gènes   soient   encore   méconnus,  nous  pouvons  proposer  quelques  pistes  de  réflexion.  Dans  un  premier  temps,   NIPBL  et  cohésine  pourraient  participer  à  la  formation  et/ou  au  maintien  de  ces  structures   intra-­TADs.   Toutefois,   malgré   le   fait   que   le   complexe   cohésine   soit   nécessaire   à   l’établissement  et  au  maintien  des  boucles  formant  les  TADs,  l’effet  de  l’élimination  de  ce   facteur   sur   le   niveau   d’expression   des   gènes   est   modeste640.   Cela   suggère   alors   la  

nécessité   d’autres   facteurs,   en   plus   du   complexe   cohésine,   pour   réguler   les   interactions   intra-­TAD   entre   des   régions   régulatrices   de   la   transcription.   Dans   ce   contexte,   il   est  

intéressant  de  noter  que  65%  des  sites  de  liaison  de  l’ARN  Pol  II  sont  impliqués  dans  des   contacts   chromatiniens   et   nombreux   sont   des   sites   de   liaison   se   regroupant   en   communautés   de   gènes543.   L’existence   d’interactions   chromosomiques   entre   plusieurs  

gènes   par   l’intermédiaire   de   l’ARN   Pol   II   suggère   alors   un   rôle   de   cet   enzyme   en   tant   qu’organisateur   de   l’architecture   nucléaire.   En   accord   avec   cela,   il   a   été   proposé   que   l’ARN   Pol   II   permet   de   placer   des   gènes   tissu-­spécifiques   à   proximité   de   foyers   CTCF   organisant   spatialement   des   gènes   constitutifs   afin   de   permettre   une   coordination   de   la   transcription365.   De   plus,   il   a   été   proposé   que   la   transcription   contribue   à   la   formation   de  

boucles   chromatiniennes433.   Par   ailleurs,   d’autres   régulateurs   comme   des   facteurs   de  

transcription   pourraient   être   des   intermédiaires   de   ces   interactions.   C’est   le   cas   par   exemple   de   ERα   qui   permet   de   rapprocher   ses   sites   de   liaison   distaux   des   promoteurs   qu’il   régule   par   des   interactions   chromatiniennes,   suggérant   que   ERα   permet   la   mise   en   contact   de   ses   gènes   cibles   afin   de   coordonner   la   régulation   transcriptionnelle364.   Enfin,   des   analyses   du   laboratoire   intégrant   la   structure   des   communautés   de   gènes   à   l’ensemble   des   données   de   ChIP-­Seq   disponibles   sur   ENCODE   pour   la   lignée   cellulaire   GM12878   a   révélé   que   les   facteurs   POU2F2,   RUNX3,   PAX5,   FOXM1,   YY1,   ZNF143   et   ELF1  occupent  des  régions  formant  un  grand  nombre  contacts,  suggérant  un  rôle  potentiel   de   ces   facteurs   dans   la   régulation   de   la   formation   des   communautés   de   gènes.   Il   est   intéressant   de   noter   que   pour   deux   de   ces   facteurs,   YY1   et   ZNF143,   des   évidences   de   leur   implication   dans   la   régulation   de   la   structure   chromatinienne   tri-­dimensionnelle   existent   déjà349,686.   Ainsi   de   nombreux   facteurs   régulant   à   la   fois   la   transcription   et   l’architecture   de   la   chromatine   pourraient   contribuer   à   la   formation   ainsi   qu’à   la   stabilisation  des  communautés  de  gènes.    

Il   est   possible   que   le   regroupement   de   gènes   en   communautés   reflète   simplement   des   interactions  stochastiques  imposées  par  la  nécessité  des  gènes  à  être  transcrits  au  niveau   d’un  nombre  limité  de  sites.  Cependant,  il  est  également  possible  que  le  regroupement  de   gènes  puisse  avoir  des  conséquences  fonctionnelles.  Ainsi,  une  forte  concentration  de  la   machinerie  transcriptionnelle  pourrait  permettre  d’augmenter  l’efficacité  de  la  transcription.   En   accord   avec   cela,   nous   montrons   dans   le   Chapitre   2   que   les   gènes   organisés   en   communautés  sont  exprimés  à  un  niveau  plus  élevé  que  les  gènes  qui  ne  le  sont  pas.  De   plus,  une  autre  façon  d’optimiser  la  transcription  de  certains  gènes  serait  de  regrouper  des   gènes   régulés   par   les   mêmes   facteurs   de   transcription.   D’ailleurs,   le   fait   que   les   communautés  de  gènes  rassemblent  des  gènes  de  fonctions  apparentées545  suggère  une  

effectuée  dans  des  cellules  érythroïdes  de  souris  révèle  une  association  préférentielle  des   gènes   régulés   par   le   facteur   de   transcription   KLF1   dans   des   usines   transcriptionnelles   contenant  une  grande  quantité  de  ce  facteur  et  colocalisant  avec  l’ARN  Pol  II  engagée341.  

De  plus,  une  autre  étude  montre  la  formation  d’usines  transcriptionnelles  régulées  par  NF-­ kB   en   réponse   à   une   stimulation   au   TNF-­α544.   Toutefois,   la   mesure   dans   laquelle   les  

communautés   de   gènes   se   rapprochent   des   usines   transcriptionnelles   est   difficile   à   déterminer   puisqu’elles   ne   sont   pas   identifiées   à   la   même   échelle.   En   effet,   les   usines   transcriptionnelles   ont   été   essentiellement   caractérisées   par   imagerie   dans   des   cellules   uniques   alors   que   les   communautés   de   gènes   sont   identifiées   dans   des   populations   de   cellules   et   pourraient   représenter   une   superposition   de   conformations   dynamiques   différentes.  

En   prenant   l’ensemble   de   ces   observations   en   compte,   nous   proposons   que   les   communautés   de   gènes   sont   des   unités   transcriptionnelles   centrées   sur   l’ARN   Pol   II,   où   un   promoteur   peut   notamment   réguler   l’activité   des   autres   promoteurs   avec   lesquels   il   interagit,   qui   permettent   d’organiser   l’architecture   3D   de   la   chromatine   à   l’intérieur   des   TADs  afin  de  regrouper  des  gènes  actifs  co-­régulés.  En  accord  avec  cela,  il  a  été  montré   que   les   contacts   chromosomiques   sont   importants   pour   permettre   la   co-­régulation   transcriptionnelle   de   gènes   organisés   en   communautés546.   De   plus,   la   perte   de   fonction   d’un  facteur  de  transcription  ne  régulant  qu’un  seul  gène  au  sein  d’une  communauté  peut   affecter  les  interactions  entre  plusieurs  gènes,  même  s’ils  ne  sont  pas  directement  liés  par   ce  facteur543,  confirmant  que  les  interactions  chromatiniennes  sont  importantes  pour  la  co-­

régulation   de   l’expression   des   gènes.   Ainsi,   afin   de   comprendre   la   régulation   d’un   gène   donné,   il   ne   suffit   plus   de   prendre   en   compte   les   interactions   que   le   promoteur   du   gène   met   en   place   avec   des   enhancers,   mais   il   faut   également   considérer   l’ensemble   des   autres   contacts   chromatiniens   qu’il   établit,   notamment   avec   les   promoteurs   d’autres   gènes.   À   l’avenir,   les   techniques   dérivées   du   système   CRISPR-­Cas9   permettant   de   manipuler   l’activité   transcriptionnelle   des   gènes687–689   offriront   surement   de   nouvelles  

possibilités   pour   l’étude   des   mécanismes   de   régulation   de   la   transcription   au   sein   des   communautés   de   gènes.   Ces   méthodes   permettront   notamment   de   tester   si   la   transcription   active   d’un   gène   donné   est   nécessaire   à   la   mise   en   place   de   certaines   interactions  chromosomiques.  

5.3   Deux   mécanismes   différents   mènent   au   repliement   du