Structural variation-associated expression changes are paralleled by chromatin architecture modifications.

Copy number variants (CNVs) influence the expression of genes that map not only within the rearrangement, but also to its flanks. To assess the possible mechanism(s) underlying this "neighboring effect", we compared intrachromosomal interactions and histone modifications in cell lines of patients affected by genomic disorders and control individuals. Using chromosome conformation capture (4C-seq), we observed that a set of genes flanking the Williams-Beuren Syndrome critical region (WBSCR) were often looping together. The newly identified interacting genes include AUTS2, mutations of which are associated with autism and intellectual disabilities. Deletion of the WBSCR disrupts the expression of this group of flanking genes, as well as long-range interactions between them and the rearranged interval. We also pinpointed concomitant changes in histone modifications between samples. We conclude that large genomic rearrangements can lead to chromatin conformation changes that extend far away from the structural variant, thereby possibly modulating expression globally and modifying the phenotype. GEO SERIES ACCESSION NUMBER: GSE33784, GSE33867.

Histone H1 regulates chromatin condensation in Leishmania parasites.

We investigated the functional role of the Leishmania histone H1 and demonstrate for the first time that addition of histone H1 has a strong effect on microccocal digestion, chromatin condensation of parasite nuclei and that its overexpression can modulate parasite infectivity in vivo.

Chromatin insulators and Prospective Application for gene Therapy.

Integrating viral vectors hold great promise as gene transfer vectors for gene therapy purposes because they allow maintaining long-term expression of the therapeutic transgene throughout cell divisions. However, many issues related to integration of the provirus remain as a substantial risk for patients. The use of chromatin insulators has been proposed as a possible solution to problems raised by the integration of the vector.

Detecting long-range chromatin interactions using the chromosome conformation capture sequencing (4C-seq) method.

Eukaryotic transcription is tightly regulated by transcriptional regulatory elements, even though these elements may be located far away from their target genes. It is now widely recognized that these regulatory elements can be brought in close proximity through the formation of chromatin loops, and that these loops are crucial for transcriptional regulation of their target genes. The chromosome conformation capture (3C) technique presents a snapshot of long-range interactions, by fixing physically interacting elements with formaldehyde, digestion of the DNA, and ligation to obtain a library of unique ligation products. Recently, several large-scale modifications to the 3C technique have been presented. Here, we describe chromosome conformation capture sequencing (4C-seq), a high-throughput version of the 3C technique that combines the 3C-on-chip (4C) protocol with next-generation Illumina sequencing. The method is presented for use in mammalian cell lines, but can be adapted to use in mammalian tissues and any other eukaryotic genome.

Conserved chromosomal clustering of genes governed by chromatin regulators in Drosophila

Background: The trithorax group (trxG) and Polycomb group (PcG) proteins are responsible for the maintenance of stable transcriptional patterns of many developmental regulators. They bind to specific regions of DNA and direct the post-translational modifications of histones, playing a role in the dynamics of chromatin structure.Results: We have performed genome-wide expression studies of trx and ash2 mutants in Drosophila melanogaster. Using computational analysis of our microarray data, we have identified 25 clusters of genes potentially regulated by TRX. Most of these clusters consist of genes that encode structural proteins involved in cuticle formation. This organization appears to be a distinctive feature of the regulatory networks of TRX and other chromatin regulators, since we have observed the same arrangement in clusters after experiments performed with ASH2, as well as in experiments performed by others with NURF, dMyc, and ASH1. We have also found many of these clusters to be significantly conserved in D. simulans, D. yakuba, D. pseudoobscura and partially in Anopheles gambiae.Conclusion: The analysis of genes governed by chromatin regulators has led to the identification of clusters of functionally related genes conserved in other insect species, suggesting this chromosomal organization is biologically important. Moreover, our results indicate that TRX and other chromatin regulators may act globally on chromatin domains that contain transcriptionally co-regulated genes.

Determinants of vitellogenin B1 promoter architecture. HNF3 and estrogen responsive transcription within chromatin.

The liver-specific vitellogenin B1 promoter is efficiently activated by estrogen within a nucleosomal environment after microinjection into Xenopus laevis oocytes, consistent with the hypothesis that significant nucleosome remodeling over this promoter is not a prerequisite for the activation by the estrogen receptor (ERalpha). This observation lead us to investigate determinants other than ERalpha of chromatin structure and transcriptional activation of the vitellogenin B1 promoter in this system and in vitro. We find that the liver-enriched transcription factor HNF3 has an important organizational role for chromatin structure as demonstrated by DNase I-hypersensitive site mapping. Both HNF3 and the estrogen receptor activate transcription synergistically and are able to interact with chromatin reconstituted in vitro with three positioned nucleosomes. We propose that HNF3 is the cellular determinant which establishes a promoter environment favorable to a rapid transcriptional activation by the estrogen receptor.

Hog1 bypasses stress-mediated down-regulation of transcription by RNA polymerase II redistribution and chromatin remodeling

Cells are subjected to dramatic changes of gene expression upon environmental changes. Stresscauses a general down-regulation of gene expression together with the induction of a set of stress-responsivegenes. The p38-related stress-activated protein kinase Hog1 is an important regulator of transcription uponosmostress in yeast. Genome-wide localization studies of RNA polymerase II (RNA Pol II) and Hog1 showed that stress induced major changes in RNA Pol II localization, with a shift toward stress-responsive genes relative to housekeeping genes. RNA Pol II relocalization required Hog1, which was also localized to stress-responsive loci. In addition to RNA Pol II-bound genes, Hog1 also localized to RNA polymerase III-bound genes, pointing to a wider role for Hog1 in transcriptional control than initially expected. Interestingly, an increasing association of Hog1 with stressresponsive genes was strongly correlated with chromatin remodeling and increased gene expression. Remarkably, MNase-Seq analysis showed that although chromatin structure was not significantly altered at a genome-wide level in response to stress, there was pronounced chromatin remodeling for those genes that displayed Hog1 association. Hog1 serves to bypass the general down-regulation of gene expression that occurs in response to osmostress, and does so both by targeting RNA Pol II machinery and by inducing chromatin remodeling at stressresponsive loci.

Global DNA hypomethylation coupled to repressive chromatin domain formation and gene silencing in breast cancer.

While genetic mutation is a hallmark of cancer, many cancers also acquire epigenetic alterations during tumorigenesis including aberrant DNA hypermethylation of tumor suppressors, as well as changes in chromatin modifications as caused by genetic mutations of the chromatin-modifying machinery. However, the extent of epigenetic alterations in cancer cells has not been fully characterized. Here, we describe complete methylome maps at single nucleotide resolution of a low-passage breast cancer cell line and primary human mammary epithelial cells. We find widespread DNA hypomethylation in the cancer cell, primarily at partially methylated domains (PMDs) in normal breast cells. Unexpectedly, genes within these regions are largely silenced in cancer cells. The loss of DNA methylation in these regions is accompanied by formation of repressive chromatin, with a significant fraction displaying allelic DNA methylation where one allele is DNA methylated while the other allele is occupied by histone modifications H3K9me3 or H3K27me3. Our results show a mutually exclusive relationship between DNA methylation and H3K9me3 or H3K27me3. These results suggest that global DNA hypomethylation in breast cancer is tightly linked to the formation of repressive chromatin domains and gene silencing, thus identifying a potential epigenetic pathway for gene regulation in cancer cells.

Genome-wide chromatin occupancy reveals a role for ASH2 in transcriptional pausing

While it is widely acknowledged that the ubiquitin-proteasome system plays an important role in transcription, little is known concerning the mechanistic basis, in particular the spatial organization of proteasome-dependent proteolysis at the transcription site. Here, we show that proteasomal activity and tetraubiquitinated proteins concentrate to nucleoplasmic microenvironments in the euchromatin. Such proteolytic domains are immobile and distinctly positioned in relation to transcriptional processes. Analysis of gene arrays and early genes in Caenorhabditis elegans embryos reveals that proteasomes and proteasomal activity are distantly located relative to transcriptionally active genes. In contrast, transcriptional inhibition generally induces local overlap of proteolytic microdomains with components of the transcription machinery and degradation of RNA polymerase II. The results establish that spatial organization of proteasomal activity differs with respect to distinct phases of the transcription cycle in at least some genes, and thus might contribute to the plasticity of gene expression in response to environmental stimuli.

Ewing sarcoma cancer stem cells : from mechanisms to therapeutic targeting

Le sarcome d'Ewing (SE) est la 2ème tumeur des os la plus fréquente chez les enfants, et le pronostic est sombre au stade métastatique. La pathogenèse du SE repose sur une translocation, provocant la fusion du domaine activateur du facteur de transcription EWS, avec la partie liant l'ADN de la protéine FLI-1. Les cellules souches cancéreuses (CSC) sont supposées être les moteurs de la croissance tumorale, et représente de ce fait des cibles thérapeutiques préférentielles. Dans ce travail nous nous sommes efforcés de comprendre, ainsi que de cibler les mécanismes liés à l'émergence des CSC dans le sarcome d'Ewing. La formation des CSC du ES est liée à un défaut de maturation des miRNAs provoqué par une sous-expression d'un gène, TARBP2, dans les CSC. Ce défaut de maturation peut être corrigé par un traitement des cellules avec de l'enoxacine, une fluoroquinolone utilisée pour traiter les infections urinaires. L'enoxacine seule n'étant pas suffisante pour éradiquer les tumeurs in vivo, nous avons testé la combinaison d'une thérapie ciblée sur les CSC avec une chimiothérapie classique, la doxorubicine, ciblant les cellules différentiées. In vitro l'enoxacine induit l'apoptose dans les CCS sans affecter les cellules différentiées, alors que à l'inverse, la doxorubicine n'affecte que les cellules de la « masse » tumorale. In vivo la combinaison de ces deux drogues inhibe la croissance de tumeurs provenant de cellules primaires xenotranplantées et éradique les CSCs. Nos résultats mettent en lumière une nouvelle approche thérapeutique directement applicable pour le sarcome d'Ewing, et pourraient ainsi rapidement déboucher sur des essais cliniques. Dans la deuxième partie de ce travail nous avons essayé de comprendre comment EWS-FLI1, la protéine de fusion issue de la translocation chromosomique du sarcome d'Ewing conduit à la génération des CSC. Pour cela nous avons effectué des ChIPseq (immunoprecipitation de la chromatine suivi de séquençage) pour EWS-FLI1 ainsi que pour certaines modifications histoniques. -- Ewing sarcoma family tumors (ESFT) are the second most frequent bone tumors in children and have a high rate of recurrence when metastatic at presentation. The pathogenesis of Ewing sarcoma is underlayed by a translocation, leading to the fusion of the trans-activating domain of EWS with the FLU DNA binding domain. Cancer stem cells (CSCs) are thought to be the driving force of tumor growth. In this work we focused on understanding the mechanisms underlying ESFT CSC emergence as well as defining targeted therapeutic strategies. Emergence of CSCs in ESFT has been shown to arise from a defect in TARBP2-dependent microRNA maturation, which can be corrected by exposure to the fluoroquinolone enoxacin. As enoxacin alone is not sufficient to reverse tumor growth in vivo, we assessed the effect of combining a drug that abrogates CSC properties with doxorubicin, a standard-of-care therapy in ESFT. Primary ESFT CSCs and bulk tumor cells were treated with different concentration of drugs and displayed divergent responses to doxorubicin and enoxacin. Doxorubicin, which targets the tumor bulk, displayed toxicity toward primary adherent ESFT cells in culture but not to CSC-enriched ESFT spheres. Conversely, enoxacin induced apoptosis but only in ESFT spheres and specifically on the CD133+ population. In combination, the two drugs markedly depleted CSC and strongly reduced primary growth in xenograft assays of two primary ESFT. Our results identify a potentially attractive therapeutic strategy for ESFT that combines mechanism-based targeting of CSC using a low toxicity antibiotic with a standard-of-care cytotoxic drug, offering immediate applications for clinical evaluation. In the second part of this work we performed chromatin immunopercipitation on CSCs and bulk cells for EWS-FLI1 binding as well as some chromatin modifications, and concluded that EWS-FLI1 shows cell context dependent binding.

Population Variation and Genetic Control of Modular Chromatin Architecture in Humans.

Chromatin state variation at gene regulatory elements is abundant across individuals, yet we understand little about the genetic basis of this variability. Here, we profiled several histone modifications, the transcription factor (TF) PU.1, RNA polymerase II, and gene expression in lymphoblastoid cell lines from 47 whole-genome sequenced individuals. We observed that distinct cis-regulatory elements exhibit coordinated chromatin variation across individuals in the form of variable chromatin modules (VCMs) at sub-Mb scale. VCMs were associated with thousands of genes and preferentially cluster within chromosomal contact domains. We mapped strong proximal and weak, yet more ubiquitous, distal-acting chromatin quantitative trait loci (cQTL) that frequently explain this variation. cQTLs were associated with molecular activity at clusters of cis-regulatory elements and mapped preferentially within TF-bound regions. We propose that local, sequence-independent chromatin variation emerges as a result of genetic perturbations in cooperative interactions between cis-regulatory elements that are located within the same genomic domain.

Assessment of chromatin activity in mouse and human tissues

Pancreatic deoxyribonuclease preferentially digests active genes during all phases of the cell cycle including mitosis. Recently, a DNAse I-directed in ~ nick translation technique has been used to demonstrate differences in the DNAse I sensitivity of euchromatic and heterochromatic regions of mitotic chromosomes. This ill ~ technique has been used in this study to ask whether facultative heterochromatin of the inactive X chromosome can be distinguished from the active X chromosome in mouse and human tissues. In addition to this, in ~ nick translation has been used to distinguish constitutive heterochromatin in mouse and human mitotic chromosomes. Based on relative levels of DNAse I sensitivity, the inactive X chromosome could not be distinguished from the active X chromosome in either mouse or human tissues but regions of constitutive heterochromatin could be distinguished by their relative DNAse I insensitivity. The use of !D situ nick translation was also applied to tissue sections of 7.5 day mouse embryos to ask whether differing levels of DNAse I sensitivity could be detected between different tissue types. Differences in DNAse I sensitivities were detected in three tissues examined; embryonic ectoderm, an embryo-derived tissue, and two extraembryonic tissues, extraembryonic ectoderm and ectoplacental cone. Embryonic ectoderm and extraembryonic ectoderm nuclei possessed comparable levels of DNAse I sensitivity while ectoplacental cone was significantly less DNAse I sensitive. This suggests that tissue-specific mechanisms such as chromatin structure may be involved in the regulation of gene activity in certain tissue types. This may also shed some light on possible tissue specific mechanisms regulating X chromosome activity in the developing mouse embryo.

Mass spectrometry as a tool to dissect the role of chromatin assembly factors in regulating nucleosome assembly

L'assemblage des nucléosomes est étroitement couplée à la synthèse des histones ainsi qu’à la réplication et la réparation de l’ADN durant la phase S. Ce processus implique un mécanisme de contrôle qui contribue soigneusement et de manière régulée à l’assemblage de l’ADN en chromatine. L'assemblage des nucléosomes durant la synthèse de l’ADN est crucial et contribue ainsi au maintien de la stabilité génomique. Cette thèse décrit la caractérisation par spectrométrie de masse(SM) des protéines jouant un rôle critique dans l’assemblage et le maintien de la structure chromatinienne. Plus précisément, la phosphorylation de deux facteurs d’assemblage des nucléosome, le facteur CAF-1, une chaperone d’histone qui participe à l'assemblage de la chromatine spécifiquement couplée à la réplication de l'ADN, ainsi que le complexe protéique Hir, jouant de plus un rôle important dans la régulation transcriptionelle des gènes d’histones lors de la progression normale du cycle cellulaire et en réponse aux dommages de l'ADN, a été examiné. La caractérisation des sites de phosphorylation par SM nécéssite la séparation des protéines par éléctrophorèse suivi d’une coloration a l’argent. Dans le chapitre 2, nous demontrons que la coloration à l’argent induit un artéfact de sulfatation. Plus précisément, cet artéfact est causé par un réactif spécifiquement utilisé lors de la coloration. La sulfatation présente de fortes similitudes avec la phosphorylation. Ainsi, l’incrément de masse observé sur les peptides sulfatés et phosphorylés (+80 Da) nécéssite des instruments offrant une haute résolution et haute précision de masse pour différencier ces deux modifications. Dans les chapitres 3 et 4, nous avons d’abord démontré par SM que Cac1, la plus grande sous-unité du facteur CAF-1, est cible de plusieurs sites de phosphorylation. Fait intéréssant, certains de ces sites contiennent des séquences consensus pour les kinases Cdc7-Dbf4 et CDKs. Ainsi, ces résultats fournissent les premières évidences que CAF-1 est potentiellement régulé par ces deux kinases in vivo. La fonction de tous les sites de phosphorylation identifiés a ensuite été évaluée. Nous avons démontré que la phosphorylation de la Ser-503, un site consensus de la DDK, est essentielle à la répréssion transcriptionelle des gènes au niveau des télomères. Cependant, cette phosphorylation ne semble pas être nécéssaire pour d’autres fonctions connues de CAF-1, indiquant que le blocage de la phsophorylation de Cac1 Ser-503 affecte spécifiquement la fonction de CAF-1 aux structures hétérochromatiques des télomères. Ensuite, nous avons identifiés une intéraction physique entre CAF-1 et Cdc7-Dbf4. Des études in vitro ont également demontré que cette kinase phosphoryle spécifiquement Cac1 Ser-503, suggérant un rôle potential pour la kinase Cdc7-Dbf4 dans l’assemblage et la stabilité de la structure hétérochromatique aux télomères. Finalement, les analyses par SM nous ont également permi de montrer que la sous-unité Hpc2 du complexe Hir est phosphorylée sur plusieurs sites consensus des CDKs et de Cdc7-Dbf4. De plus, la quantification par SM d’un site spécifique de phosphorylation de Hpc2, la Ser-330, s’est révélée être fortement induite suite à l’activation du point de contrôle de réplication (le “checkpoint”) suite au dommage a l’ADN. Nous montrons que la Ser-330 de Hpc2 est phopshorylée par les kinases de point de contrôle de manière Mec1/Tel1- et Rad53-dépendante. Nos données préliminaires suggèrent ainsi que la capacité du complex Hir de réguler la répréssion transcriptionelle des gènes d'histones lors de la progression du cycle cellulaire normal et en réponse au dommage de l'ADN est médiée par la phosphorylation de Hpc2 par ces deux kinases. Enfin, ces deux études mettent en évidence l'importance de la spectrométrie de masse dans la caractérisation des sites de phosphorylation des protéines, nous permettant ainsi de comprendre plus précisement les mécanismes de régulation de l'assemblage de la chromatine et de la synthèse des histones.

Interpretation of the centromere epigenetic mark to maintain genome stability

Le centromère est la région chromosomique où le kinétochore s'assemble en mitose. Contrairement à certaines caractéristiques géniques, la séquence centromérique n'est ni conservée entre les espèces ni suffisante à la fonction centromérique. Il est donc bien accepté dans la littérature que le centromère est régulé épigénétiquement par une variante de l'histone H3, CENP-A. KNL-2, aussi connu sous le nom de M18BP1, ainsi que ces partenaires Mis18α et Mis18β sont des protéines essentielles pour l'incorporation de CENP-A nouvellement synthétisé aux centromères. Des évidences expérimentales démontrent que KNL-2, ayant un domaine de liaison à l'ADN nommé Myb, est la protéine la plus en amont pour l'incorporation de CENP-A aux centromères en phase G1. Par contre, sa fonction dans le processus d'incorporation de CENP-A aux centromères n'est pas bien comprise et ces partenaires de liaison ne sont pas tous connus. De nouveaux partenaires de liaison de KNL-2 ont été identifiés par des expériences d'immunoprécipitation suivies d'une analyse en spectrométrie de masse. Un rôle dans l'incorporation de CENP-A nouvellement synthétisé aux centromères a été attribué à MgcRacGAP, une des 60 protéines identifiées par l'essai. MgcRacGAP ainsi que les protéines ECT-2 (GEF) et la petite GTPase Cdc42 ont été démontrées comme étant requises pour la stabilité de CENP-A incorporé aux centromères. Ces différentes observations ont mené à l'identification d'une troisième étape au niveau moléculaire pour l'incorporation de CENP-A nouvellement synthétisé en phase G1, celle de la stabilité de CENP-A nouvellement incorporé aux centromères. Cette étape est importante pour le maintien de l'identité centromérique à chaque division cellulaire. Pour caractériser la fonction de KNL-2 lors de l'incorporation de CENP-A nouvellement synthétisé aux centromères, une technique de microscopie à haute résolution couplée à une quantification d'image a été utilisée. Les résultats générés démontrent que le recrutement de KNL-2 au centromère est rapide, environ 5 minutes après la sortie de la mitose. De plus, la structure du domaine Myb de KNL-2 provenant du nématode C. elegans a été résolue par RMN et celle-ci démontre un motif hélice-tour-hélice, une structure connue pour les domaines de liaison à l'ADN de la famille Myb. De plus, les domaines humain (HsMyb) et C. elegans (CeMyb) Myb lient l'ADN in vitro, mais aucune séquence n'est reconnue spécifiquement par ces domaines. Cependant, il a été possible de démontrer que ces deux domaines lient préférentiellement la chromatine CENP-A-YFP comparativement à la chromatine H2B-GFP par un essai modifié de SIMPull sous le microscope TIRF. Donc, le domaine Myb de KNL-2 est suffisant pour reconnaître de façon spécifique la chromatine centromérique. Finalement, l'élément reconnu par les domaines Myb in vitro a potentiellement été identifié. En effet, il a été démontré que les domaines HsMyb et CeMyb lient l'ADN simple brin in vitro. De plus, les domaines HsMyb et CeMyb ne colocalisent pas avec CENP-A lorsqu'exprimés dans les cellules HeLa, mais plutôt avec les corps nucléaires PML, des structures nucléaires composées d'ARN. Donc, en liant potentiellement les transcrits centromériques, les domaines Myb de KNL-2 pourraient spécifier l'incorporation de CENP-A nouvellement synthétisé uniquement aux régions centromériques.