Télomères et chromatine

Les télomères sont des structures nucléo-protéiques qui protègent les extrémités des chromosomes de la dégradation, de leurs fusions et de la recombinaison illégitime. Ils sont constitués de séquences d'ADN répétées qui forment une structure chromatinienne particulière grâce à des interactions ADN-protéines spécifiques. Les télomères sont connus pour être des régions naturelles du génome difficiles à répliquer, également définies comme des sites fragiles en raison des nombreux obstacles qui empêchent la progression des fourches de réplication au niveau des séquences terminales. Le stress réplicatif à ce niveau est dû à la pause ou au blocage des fourches de réplication. C’est une source potentielle de dysfonctionnement des télomères qui peut provoquer une instabilité du génome, une caractéristique des cellules cancéreuses.

Nous avons montré ces dernières années comment les composants du complexe de la shelterin (protéines télomériques) de la levure recrutent des facteurs accessoires pour promouvoir une réplication efficace des séquences terminales (Matmati et al., 2018& 2020 ; Vaurs et al.,2022). Notre laboratoire a également été fer de lance pour montrer comment les fourches de réplication bloquées et les télomères érodés sont relocalisés dans au pore nucléaire (NPC) pour promouvoir soit une reprise précise de la réplication (Aguilera et al., 2020), par un allongement alternatif des télomères basé sur la recombinaison en l'absence de la télomérase (Churikov et al., 2016, Charifi et al., 2021 ; Aguilera et al., 2022). Le laboratoire a également été pionnier dans la description du rôle de RPA dans la réplication, la maintenance et la recombinaison des télomères dans des modèles de levure (Maestroni et al. 2020 ; Corda et al., 2021 ; Audry et al., 2015).

Nous avons établi de nouvelles approches/outils pour explorer les mécanismes qui protègent et redémarrent les fourches de réplication au niveau des télomères et pour étudier leur régulation spatiale et temporelle. Nous avons mis en place dans les deux modèles de levure un système de barrières artificielles de la réplication pour étudier la dynamique de la réplication et le mécanisme de redémarrage des fourches.

Nous analysons la dynamique de la réplication au niveau de ces barrières et identifions le protéome des fourches arrêtées au niveau des télomères, dans différentes conditions génétiques. 

Les ostéosarcomes sont des tumeurs osseuses très agressives qui apparaissent principalement chez les enfants et les adolescents. Génétiquement, ils sont caractérisés par des aberrations structurelles et numériques complexes. Les ostéosarcomes sont connus pour présenter une fréquence élevée d'activation du ALT (Alternative Lengthening of Telomeres). Des études antérieures ont montré que la mutation du gène ATRX et/ou la perte d'expression de la protéine n'est détectable que dans 30 % d'entre eux. Cet écart entre un niveau élevé du ALT et une faible proportion d'inactivation de l'ATRX nous a conduit à l'hypothèse que l'inhibition du ALT par l'ATRX pourrait être annulée dans certaines conditions. Nous étudions les mécanismes concernant les ostéosarcomes du ALT.

Un régulateur clé de l'arrêt cellulaire en réponse au raccourcissement des télomères et aux dommages causés à l'ADN est l'inhibiteur de kinase p21 dépendant de la cycline. On pense que la régulation de la p21 dépendante de la p53 est le principal événement induisant la sénescence réplicative. Nous nous sommes demandés si le vieillissement pouvait être retardé par la suppression du raccourcissement des télomères dans les cellules sénescentes en exprimant la télomérase "seulement quand elle est requise" et quelles seraient les conséquences de cette expression ectopique conditionnelle de la télomérase. En effet, des études antérieures ont révélé que la surexpression de la télomérase favorise la prolifération et l'inflammation des cellules indépendamment de son activité au niveau des télomères. À cette fin, nous avons créé un modèle de souris knock-in dans lequel une cassette codant pour mCherry-2A-mTert (télomérase) a été insérée après le premier exon de p21 (souris p21-mTert). Alors que l'expression de la télomérase induite par p21 supprime la sénescence dans plusieurs tissus, nous avons observé des phénotypes inattendus associés à cette expression ectopique de la télomérase. Notre projet vise à comprendre comment l'expression de la télomérase induite par p21 favorise en même temps l'échappement de la sénescence et dérégule les voies de signalisation et métaboliques.

En même temps que le groupe de Loraine Pillus (UCSD), nous avons identifié SET1 comme le gène de Saccharomyces cerevisiae codant pour la levure la plus proche des protéines du domaine SET des organismes multicellulaires. La suppression de SET1 a agit sur la position des télomères, a entraîné un léger raccourcissement des télomères et a augmenté la viabilité des mutants après dommage de l'ADN. Quelques années plus tard, plusieurs autres équipes ont découvert que SET1 était la sous-unité catalytique d'un complexe protéique appelé Set1C ou COMPASS (pour Complex of Proteins Associated with Set1) qui assure la médiation de la méthylation de H3 à la lysine 4 (H3K4). Nous avons ensuite eu une contribution importante en collaboration avec l'équipe de Francis Stewart pour définir comment chaque sous-unité de Set1C était liée à la plate-forme d'arrimage faite par la sous-unité catalytique Set1. D'autres groupes ainsi que le notre avons montré que la perte de sous-unités individuelles de Set1C affecte différemment la stabilité de Set1, l'intégrité complexe, les modèles globaux de méthylation de H3K4, et la méthylation de H3K4 le long des gènes actifs.

Après avoir caractérisé les motifs de reconnaissance de l'ARN de Set1, nous avons découvert, en collaboration avec Jaehoon Kim et Domenico Libri, que Set1 se lie directement à l'ARN in vitro et in vivo. Nous avons découvert que la liaison de Set1 aux néo transcrits est importante pour définir la topologie appropriée de la distribution de Set1C le long des unités de transcription et qu'elle est corrélée avec le dépôt efficace de la marque H3K4me3. Nous avons également montré, en collaboration avec Frank Holstege, que la perte de triméthylation de H3K4 n'avait en soi que peu d'effet sur les niveaux d'expression de l'ARNm et que la perte combinée de H3K4me3 et de H3K4me2 entraîne une régulation positive d'un groupe de gènes associés à la répression de la transcription antisens à l'extrémité 3' médiée par Set1.

Il y a 15 ans, nous avons démontré que l'inactivation de Set1 réduit le nombre de DSB et nuit à la réplication méiotique. Cet article fondateur a été la première observation reliant la méthylation de Set1 et de H3K4 à la réplication et à la méiose. En collaboration avec Alain Nicolas et Valérie Borde, il a également été démontré que les DSB méiotiques se produisent dans des régions où l'occupation de H3K4me3 est plus élevée, bien qu'aucun niveau de transcription plus élevé n'ait été détecté à proximité de ces sites de DSB. Nous avons également montré que l'ancrage de la protéine contenant le PHD, Spp1, aux régions recombinées était suffisant pour induire la formation de DSB. En outre, nous avons constaté que Spp1 interagissait physiquement avec Mer2, une protéine clé de l'axe chromosomique différencié nécessaire à la formation de DSB. Ainsi, Spp1, en interagissant avec H3K4me3 et Mer2, favorise le recrutement de sites potentiels de DSB méiotiques dans l'axe chromosomique. En collaboration avec Lóránt Székvölgyi, nous avons récemment signalé que les interactions spatiales de Spp1 et Mer2 se produisaient indépendamment de Set1C. Nos travaux nous ont amenés à proposer un modèle de l'axe de la boucle chromatinienne pour la régulation de la formation des DSB, qui traite de la manière dont les sites DSB méiotiques sont sélectionnés mécaniquement.

Notre équipe dispose donc d'une expertise unique pour fournir une vue intégrative de la fonction de Set1C. Nos recherches ont conduit au concept selon lequel les sous-unités Set1C, en plus de réguler la méthylation de H3K4, peuvent être directement impliquées dans les fonctions biologiques en recrutant des partenaires protéiques spécifiques. Sur la base d'un criblage systématique en double hybrides réalisé en collaboration avec Bernhard Dichtl en utilisant les domaines Set1 ainsi que chaque sous-unité Set1C comme cibles, nos recherches actuelles portent sur de nombreuses fonctions insoupçonnées de Set1C.

Nous nous intéressons aussi à comment la protéine Set1 coopère avec les remodeleurs de la chromatine pour promouvoir le remodelage de la chromatine néo-synthétisée pour faciliter la progression des fourches de réplication et leur redémarrage.