Direction des sciences du vivant

Chromatine et cellules souches embryonnaires

Du fait de leur capacité unique à se diviser indéfiniment, et de pouvoir se différentier en de multiples types cellulaires, les cellules souches embryonnaires (cellules ES) apparaissent très prometteuses comme agents thérapeutiques dans les traitements médicaux du futur. Un défi scientifique majeur consiste à comprendre comment ces cellules souches contrôlent ce fabuleux potentiel. Des travaux récents, incluant ceux de notre équipe, montrent que la chromatine elle-même est un contributeur majeur de l'identité et la plasticité des cellules ES.
L'unité de base de la chromatine est le nucléosome, qui est composé d'un octamère comprenant 2 copies de chacune des histones H2A, H2B, H3 et H4, autour duquel s'enroule un fragment de 147 paires de bases d'ADN. Dans certaines régions du génome, les histones H2A, H2B et H3 peuvent être remplacés par des “variants” d’histones, dont les séquences sont différentes des histones canoniques. Ces variations sont susceptibles d’altérer la structure ou la stabilité des nucléosomes, et donc d'influencer les propriétés de la chromatine ainsi que l'expression du génome.
Les histones au sein des nucléosomes subissent de multiples modifications post-traductionnelles. Au cours de la dernière décennie, plus d'une centaine d'enzymes capables de modifier les histones ont été identifiées. Selon leurs familles, ces protéines catalysent des réactions d'acétylation, méthylation, phosphorylation, ubiquitination, sur plus de 30 résidus d'acides-aminés différents, localisés principalement au niveau des extrémités amino-terminales des histones. Ces modifications peuvent moduler les interactions histone-ADN, ou induire le recrutement de nouvelles protéines sur la chromatine. Une autre grande famille de protéines est à l’origine de variations de la structure et des propriétés biochimiques de la chromatine. Elle comprend les chaperons d'histones et les remodeleurs de chromatine, qui sont capables de favoriser l'assemblage ou le désassemblage des nucléosomes, ou encore de provoquer des mouvements de nucléosomes sur l'ADN.
Nous avons montré récemment que la chromatine a des propriétés différentes en cellules ES et dans des cellules déjà engagées dans la différentiation. Notamment, la chromatine de cellules ES est d'une plasticité supérieure à celle des cellules différentiées. Les mécanismes responsables de cette propriété particulière de la chromatine des cellules ES restent inconnus.
L'objectif majeur de notre équipe consiste à comprendre la contribution des protéines régulatrices de la chromatine à la plasticité et au contrôle de l'expression du génome des cellules ES. Dans la cadre du consortium Regulome, nous nous consacrons à un projet ambitieux visant à cartographier la localisation de variants d'histones et de protéines capables de modifier les nucléosomes sur le génome des cellules ES murines.
Dans ce but, les gènes codant ces protéines sont étiquetés par l’ajout d’une séquence codant un TAP-tag (Tandem Affinity Purification tag), immédiatement en aval de la séquence codante. Nous disposons au laboratoire des techniques moléculaires qui permettent de réaliser ces manipulations génétiques efficacement: il s’agit d’une part de la technique de «recombineering», que nous utilisons pour construire des vecteurs complexes, grâce à des étapes de recombinaison homologue chez E. coli, et d’autre part des techniques de manipulation du génome de la souris, en cellules souches embryonnaires (ES). Les lignées de cellules ES ainsi générées sont utilisées pour étudier, à l'échelle du génome entier, l’incorporation des variants d’histone et la localisation des complexes modificateurs de chromatine. Ces données sont générées par des expériences d’immunoprécipitation de chromatine (ChIP) avec des anticorps spécifiques du TAP-tag, suivies par un séquençage à grande échelle des fragments d’ADN immunoprécipités. Cette stratégie, élaborée en collaboration avec l'équipe de Michel Werner, permet l’identification de tous les sites de liaison d'un facteur donné sur le génome des cellules ES. Une comparaison informatique de ces données de position sur le génome avec les annotations du génome et les données d'expression des gènes, nous permet d'élaborer des hypothèses sur la fonction du facteur de chromatine étudié. Ces hypothèses sont alors testées en cellules ES en utilisant un outil d'ARN interférence développé par notre équipe.
L'aboutissement de ces travaux nous permettra d'évaluer le rôle de chaque facteur étudié dans la régulation et la plasticité du génome des cellules ES.

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