La topologie des fibres de nucléosomes guide la liaison des facteurs de transcription aux enhancers

Contexte académique

L’identité cellulaire repose sur l’action concertée de multiples facteurs de transcription (Transcription Factors, TFs) qui se lient ensemble aux enhancers des gènes spécifiques à un type cellulaire. Bien que les TFs reconnaissent des motifs d’ADN spécifiques au sein de la chromatine accessible, cette information ne suffit pas à expliquer comment les TFs sélectionnent les enhancers. Cet article compare quatre combinaisons différentes de TFs qui induisent différents états cellulaires, en analysant l’occupation génomique des TFs, l’accessibilité de la chromatine, le positionnement des nucléosomes et l’organisation tridimensionnelle du génome à la résolution des nucléosomes, révélant comment la topologie des fibres de nucléosomes guide la liaison des TFs aux enhancers.

Source de l’article

Cet article a été co-écrit par Michael R. O’Dwyer, Meir Azagury, Katharine Furlong et al., issus de plusieurs institutions de recherche telles que l’University of Edinburgh, The Hebrew University-Hadassah Medical School et l’Albert Einstein College of Medicine. L’article a été publié en ligne le 1er novembre 2024 dans la revue Nature.

Processus de recherche

1. Surexpression des combinaisons de facteurs de transcription et changement de destin cellulaire

L’étude a d’abord surexprimé quatre combinaisons différentes de TFs dans des fibroblastes embryonnaires de souris (MEFs), induisant ainsi quatre destins cellulaires distincts. Ces combinaisons incluent : - OSKM : induction de cellules souches pluripotentes induites (cellules iPS) - GETM : induction de cellules souches trophoblastiques induites (cellules iTS) - GETMR : induction de cellules iPS ou iTS selon les conditions de culture - BS9G4M : aucune reprogrammation cellulaire induite

2. Cartographie des sites de liaison des facteurs de transcription dans le génome

Grâce au séquençage par immunoprécipitation de la chromatine (ChIP-seq), les chercheurs ont cartographié les sites de liaison de tous les TFs 48 heures après l’induction et après la complétion de la reprogrammation. Les résultats montrent que les sites de liaison en phase précoce de la reprogrammation chevauchent peu ceux de la reprogrammation complète, indiquant une liaison hors cible des TFs en phase précoce.

3. Mesure de l’accessibilité de la chromatine et du positionnement des nucléosomes

En utilisant les techniques ATAC-seq et MNase-seq, les chercheurs ont mesuré l’accessibilité de la chromatine et le positionnement des nucléosomes dans les MEFs, les cellules iPS et les cellules iTS. Les résultats montrent que la plupart des TFs se lient principalement à des régions de chromatine fermée en phase précoce de la reprogrammation, puis se déplacent vers des éléments cis-régulateurs spécifiques au type cellulaire dans la chromatine ouverte après la reprogrammation.

4. Analyse de la topologie des réseaux de nucléosomes

Grâce à la technologie Micro-C, les chercheurs ont cartographié la structure tridimensionnelle de la chromatine à la résolution des nucléosomes. Les résultats montrent que les TFs se lient à des réseaux de nucléosomes en phase précoce de la reprogrammation, ces réseaux ayant une organisation tridimensionnelle spécifique au niveau des fibres de chromatine. Les TFs reconnaissent des motifs multiples sur ces réseaux de nucléosomes, guidant leur liaison aux enhancers spécifiques au type cellulaire.

Résultats principaux

1. Liaison coopérative des facteurs de transcription

L’étude révèle que la liaison coopérative des TFs sur les réseaux de nucléosomes dépend de motifs spécifiques. Par exemple, la combinaison OSK (Oct4, Sox2, Klf4) montre une distribution directionnelle spécifique des motifs sur les réseaux de nucléosomes, tandis que la combinaison GET (Gata3, Eomes, Tfap2c) montre des motifs spécifiques aux bordures des réseaux de nucléosomes.

2. La topologie des fibres de nucléosomes guide la liaison des TFs

L’étude propose un modèle de “recherche guidée”, selon lequel les TFs reconnaissent des motifs sur les fibres de nucléosomes pour guider leur liaison aux enhancers. La topologie des fibres de nucléosomes agit comme des “balises” dans le processus de recherche génomique des TFs, réduisant la dimension du génome à explorer.

3. Formation et dissociation des boucles de chromatine

Grâce à la technologie Micro-C, les chercheurs ont découvert que les TFs se lient aux bordures des boucles de chromatine en phase précoce de la reprogrammation, puis ces boucles se dissocient après la reprogrammation, les TFs se déplaçant vers les régions des enhancers. Ce processus s’accompagne de changements dans l’accessibilité de la chromatine et les modifications des histones.

Conclusion

Cette étude révèle le rôle clé de la topologie des fibres de nucléosomes dans le processus de liaison des facteurs de transcription aux enhancers. Les TFs reconnaissent des motifs spécifiques sur les réseaux de nucléosomes pour guider leur liaison aux enhancers spécifiques au type cellulaire. Cette découverte approfondit non seulement notre compréhension des mécanismes de reprogrammation cellulaire, mais offre également de nouvelles perspectives pour le développement de stratégies de reprogrammation cellulaire plus efficaces.

Points forts de la recherche

1. La topologie des fibres de nucléosomes guide la liaison des TFs : L’étude révèle pour la première fois le rôle clé de la topologie des fibres de nucléosomes dans le processus de liaison des TFs aux enhancers.
2. Modèle de recherche guidée : Propose un modèle selon lequel les TFs reconnaissent des motifs sur les fibres de nucléosomes pour guider leur liaison aux enhancers.
3. Formation et dissociation des boucles de chromatine : Grâce à la technologie Micro-C, l’étude révèle le processus de liaison et de dissociation des TFs sur les boucles de chromatine, offrant une nouvelle perspective sur le rôle de l’organisation tridimensionnelle de la chromatine dans la régulation génique.

Signification de la recherche

Cette étude a non seulement une valeur scientifique importante, mais fournit également une nouvelle base théorique pour la reprogrammation cellulaire et la médecine régénérative. En révélant le rôle de la topologie des fibres de nucléosomes dans le processus de liaison des TFs aux enhancers, il sera possible de concevoir des stratégies de reprogrammation cellulaire plus efficaces à l’avenir, favorisant ainsi le développement de la médecine régénérative.