Dynamique de la chromatine

Chez les eucaryotes, tous les événements cellulaires, les transitions développementales et les réponses adaptatives aux contraintes environnementales impliquent un réglage fin de l'expression génique qui dépend de plusieurs niveaux de régulation convergeant généralement vers des contrôles chromatiniens. En effet, dans les cellules eucaryotes, l'ADN génomique n'est pas nu dans le nucléoplasme. Il est fonctionnellement structuré par des myriades de protéines au sein d'une structure chromatinienne complexe servant de plateforme pour toutes ses activités. L'unité de répétition élémentaire de la chromatine est le nucléosome, composé de 146/147 paires de bases d'ADN enroulées autour d'une particule cœur contenant deux copies d'histones H2A, H2B, H3 et H4 chargées positivement. Ces unités nucléosomales sont organisées pour former une structure primaire dite « en collier de perle », qui peut se compacter en structures d'ordre supérieur grâce à l'histone de liaison H1.
La dynamique du paysage chromatinien est orchestrée par des mécanismes impliquant le contrôle des niveaux de méthylation des cytosines de l'ADN, l'incorporation ou l'éviction de différents types d'histones, leurs modifications post-traductionnelles et l'association avec d'autres facteurs protéiques. Ces mécanismes modulent les propriétés physicochimiques et l'accessibilité de l'ADN au sein de la chromatine. En conséquence, les dynamiques chromatiniennes impactent l'expression des gènes par des événements de régulation multi-échelles : des variations locales de la composition de la chromatine, des modifications de la topologie du génome en fonction d'interactions chromatiniennes intra- ou inter-chromosomiques en cis ("gene loops") ou à plus longue distance, et parfois par une réorganisation de domaines chromatiniens au sein de l'espace nucléaire ou de structures telles que la matrice nucléaire ou le nucléole. Le positionnement relatif des gènes ou des éléments silencieux du génome dans le volume nucléaire pourrait favoriser l'établissement de contextes chromatiniens locaux permissifs ou répressifs à la transcription, ou définir un état latent en attente d'un signal.
L’axe thématique "Dynamique de la chromatine" s’attachera à mettre en place des approches multi-échelles permettant d’obtenir une vue intégrée de la mécanistique chromatinienne régulant l’expression du génome lors du développement et en réponse aux contraintes environnementales. Les niveaux d’observation iront de l’architecture du noyau à la topologie du génome en passant par la composition de la chromatine et le contrôle des éléments transposables et séquences répétées. Leurs dynamiques seront étudiées dans des contextes développementaux incluant la morphogenèse (germination, développement végétatif, transition florale, activités méristématiques – racinaire, apicale caulinaire, florale, méiose, reproduction et embryogenèse, mise en place de tissus polyploïdes) et également en réponse aux contraintes environnementales (attaque de pathogènes, infection virale, variation de luminosité/température, stress salin…).

Rôle de l’organisation nucléaire : périphérie, domaines chromosomiques, interactions longue distance.
La fonction à la fois structurelle et régulatrice de l'organisation du noyau sera analysée à différents niveaux. L'évolution des composants de la périphérie nucléaire, les diverses structures intranucléaires (nucléole, "speckles"…), l'organisation de l'hétérochromatine ainsi que les interactions chromosomiques à longue-distance seront étudiés au regard de leur impact sur l'expression des différents domaines chromosomiques. Ces études passent par la mise en œuvre de méthodologies permettant d’améliorer la visualisation cytologique de territoires nucléaires ou de loci spécifiques par des approches modernes de microscopie (Lightsheet, FRAP, FRET, microscopie haute résolution). Elles passent également par l’analyse de la topologie chromatinienne par des approches génomiques telles que la Capture de Conformation Chromosomique (3C et ses variantes à l'échelle du génome : 4C, Hi-C), le profilage de signatures chromatiniennes le long du génome (ChIP-seq) et leur utilisation combinée (ChIA-PET ou Hi-ChIP) afin d'identifier et modéliser les dynamiques intrinsèques à chaque compartiment nucléaire.
Profils épigénomiques spécifiques de types cellulaires, de transitions, de stades développementaux et de réponse aux stress environnementaux.
Les études sur la différentiation et la plasticité phénotypique des cellules végétales (par exemple au cours de la génération de cellules méristématiques ou gamétophytiques, la spécialisation ou le contrôle de la morphologie des cellules végétatives) ont longtemps été entravées par des limites techniques dans l'identification des profils chromatiniens de populations cellulaires complexes ou difficilement accessibles. Par ailleurs, les études sur l'identité cellulaire et sur la régulation génique spécifique des allèles (telles que l'empreinte parentale) ont longtemps été limitées par des difficultés techniques dans la génération de profils épigénomiques monocellulaires voire mono alléliques. L’obtention des profils génomiques de marques chromatiniennes ou des protéines associées dans un contexte spatio-temporel spécifique constituent un des objectifs majeurs de cet axe thématique. La mise au point de systèmes de développement synchrone et de techniques d'isolement de noyaux de types cellulaires spécifiques, en combinaison avec des méthodologies moléculaires et cytologiques, permettront de surmonter progressivement ces limitations. En particulier, les partenaires du GDR analyseront les profils épigénomiques spécifiques de types cellulaires, de tissus ou encore d’une gamme de stade développementaux par la mise en œuvre de technologies nouvelles (telles que la méthodologie INTACT). Les analyses sur cellule unique restent encore un défi dans le domaine végétal, mais sont compensées par des approches de cytologie in situ avec une résolution sub-nucléaire fine des états chromatiniens.

Compréhension des « cross-talks » entre complexes transcriptionnels et dynamiques chromatiniennes.
Appréhender les liens causaux et mécanistiques entre dynamiques chromatiniennes et transcription, au-delà des corrélations déjà bien décrites, est un défi à part entière de cet axe thématique. D'une part, les liens fonctionnels entre les machineries transcriptionnelles, telles que l'ARN polymérase II et les machineries de modification de la chromatine, restent à déterminer, notamment lors de modifications co-transcriptionnelles. D’autre part, il faudra explorer l'étendue de la présence conjointe de marques a priori antagonistes (états chromatiniens dits "bivalents"), ou si ce type d'état est spécifique de types cellulaires ou de loci génomiques soumis à des régulations singulières. De plus, l’existence de facteurs de transcription dits "pionniers", capables de modifier la capacité transcriptionnelle d'un locus chromatinien condensé, a été suggérée chez les plantes, mais les mécanismes impliqués restent élusifs. Des technologies d’édition du génome et de l’épigénome récemment apparues seront utilisées afin d’explorer les effets réciproques des régulateurs transcriptionnels (facteurs et cofacteurs de transcription/pionniers, complexe transcriptionnel RNA Pol II) et des dynamiques chromatiniennes (marques, densité et positionnement nucléosomal, complexes remodeleurs et modificateurs associés).
Mode de ciblage spécifique des gènes par les modificateurs et remodeleurs chromatiniens.
Comment les différents modificateurs et remodeleurs chromatiniens ciblent spécifiquement certains gènes ou régions génomiques, ou exercent-ils un contrôle spatio-temporel de leurs cibles (stade développemental, type cellulaire, réponse à une voie de signalisation) ? Cette question mérite d’être encore largement explorée, même si de récentes avancées mettent en évidence le rôle de facteurs de transcription s'associant physiquement avec des facteurs chromatiniens, ou la présence, chez certains facteurs chromatiniens eux-mêmes, de domaines de liaison à des séquences d’ADN spécifiques. Les équipes du GDR s’attacheront à décrypter les mécanismes moléculaires impliqués pour plusieurs facteurs déjà étudiés dans ses laboratoires, et à découvrir de nouveaux facteurs d’adressage spécifiques aux cibles.
En conclusion, la compréhension de l'étendue des dynamiques chromatiniennes, des gènes et loci ciblés, des voies de signalisation et des activités biochimiques qui les initient, ainsi que les différents niveaux de régulation impliqués, ont des impacts dans de nombreux domaines de recherche fondamentale. La découverte de l’influence des propriétés hautement dynamiques de la chromatine sur l'expression des gènes révolutionne donc les perspectives en génétique moléculaire et génomique des plantes ainsi que les études en écologie et biologie évolutive. Enfin, nous anticipons que les avancées dans la connaissance de l'influence de ces mécanismes régulateurs sur le développement et la plasticité phénotypique des plantes, procureront des opportunités pour moduler des fonctions du génome en vue d'améliorer les caractères d'intérêt agro-économique chez les espèces cultivées.