Epigenetic Chromatin Regulation

  • La répression transcriptionnelle médiée par des petits ARN non codants est un processus fondamental observé chez de nombreux eucaryotes, comme les champignons, les plantes, les mouches, les vers ou les mammifères. L'un de leurs rôles connus est de neutraliser l'activité des éléments transposables (TE), qui sinon peuvent déstabiliser leur génome-hôte et causer diverses maladies. Les petits ARN utilisent leur complémentarité de base avec les TE pour les éteindre spécifiquement. Cependant, la façon dont les cellules assurent la répression de ces derniers sans déranger l’expressions d’autres gènes est encore relativement incomprise.

    Le cillié Tetrahymena identifie les séquences dérivées de TE par un mécanisme de comparaison des génomes germinal et somatique, médié par de petits ARN lors d’une élimination programmée de l'ADN, fournissant des exemples fascinants de régulation épigénetique du génome, ainsi que d’importants renseignements sur l'interaction entre TE et génomes-hôtes. Parce que l'élimination programmée de l'ADN peut être induite de façon synchrone et à grande échelle en laboratoire, elle se trouve être un modèle très utile à l'étude génétique et biochimique de la régulation de la chromatine par petits ARN.

    À l'aide de ce protozoaire, nous cherchons à comprendre comment les cellules accumulent de façon spécifique de petits ARN à partir de séquences apparentées aux TE; comment les cellules utilisent ces petits ARN pour identifier ces séquences de type TE; et comment une voie de petits ARN établit un environnement de chromatine inhibée (hétérochromatine) sur des séquences apparentées aux TE.


    Figure 1
    Tetrahymena thermophila. La Tétrahyména est un eucaryote unicellulaire. Elle possède de nombreux cils sur sa surface cellulaire (vert = coloration anti-alpha tubuline), deux noyaux différents (violet), le plus petit les micronoyaux de la lignée germinale (MIC) et le plus grand le macronoyau somatique (MAC).

    Membres

    Kazufumi Mochizuki
    Mochizuki Kazufumi
    Chercheur
    Julie Saksouk
    Saksouk Julie
    ITA
    Masatoshi Mutazono
    Mutazono Masatoshi
    Postdoc
    Tomoko Noto
    Noto Tomoko
    Postdoc
    Eliot Geraud
    Geraud Eliot
    Doctorant
    Quentin Rahms
    Rahms Quentin
    Doctorant
    Gaël Dupin
    Dupin Gaël
    Stagiaire

    Publications majeures et récentes

    Phosphorylation of an HP1-like protein is a prerequisite for heterochromatin body formation in Tetrahymena DNA elimination.

    Kataoka K, Noto T, Mochizuki K

    2016 - Proc Natl Acad Sci U S A, 113(32):9027-32

    Demander l'article complet27466409

    Small-RNA-Mediated Genome-wide trans-Recognition Network in Tetrahymena DNA Elimination.

    Noto T, Kataoka K, Suhren JH, Hayashi A, Woolcock KJ, Gorovsky MA, Mochizuki K

    2015 - Mol Cell, 59(2):229-42

    Demander l'article complet26095658

    A Tetrahymena Hsp90 co-chaperone promotes siRNA loading by ATP-dependent and ATP-independent mechanisms.

    Woehrer SL, Aronica L, Suhren JH, Busch CJ, Noto T, Mochizuki K

    2015 - EMBO J, 34(4):559-77

    Demander l'article complet25588944

    Whats, hows and whys of programmed DNA elimination in Tetrahymena.

    Noto T, Mochizuki K

    2017 - Open Biol, 7(10)

    Demander l'article complet29021213
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    Publications de l'équipe

  • Contexte: élimination de l'ADN dirigée par petits ARN chez Tetrahymena

    Le cillié Tetrahymena possède un macronucléus somatique (MAC) et un micronoyau germinal (MIC) dans chaque cellule. Le MAC est polyploïde et est transcriptionnellement actif, alors que le MIC est diploïde et transcriptionnellement silencieux au cours de la croissance végétative. Lors de la reproduction sexuelle, le MIC donne naissance à un nouveau MAC et à un nouveau MIC, alors que le MAC parental est détruit. Pendant le développement du nouveau MAC, environ 12 000 séquences internes éliminées (IES) sont supprimées (élimination de l'ADN) et les séquences restantes, destinées à constituer le nouveau MAC, sont religaturées. La plupart des IES sont répétées dans le MIC et beaucoup d'entre elles sont apparentées à des éléments transposables. Une formation d'hétérochromatine, dirigée par des petits ARN, est impliquée dans ce processus d'élimination de l'ADN. Ces petits ARN d’en moyenne 29 nt, appelés Early-scnRNA, sont produits par la protéine Dicer Dcl1p, puis associés à la protéine Argonaute Twi1p. Les Early-scnRNA entraînent l'accumulation de composants hétérochromatiques spécifiquement sur les séquences IES, notamment les formes methylées de l'histone H3 sur la lysine 9 (H3K9me) et sur la lysine 27 (H3K27me), ainsi que la protéine à chromodomaine Pdd1p. L'hétérochromatine recrute par la suite l'endonucléase Tpb2p, qui catalyse l'élimination de l'ADN.

    Figure 2
    Formation d'hétérochromatine dirigée par petits ARN induit une élimination de l'ADN Les ARN non codants (ncRNA) dérivés du génome MIC, comprenant des transposons, sont transformés en Early-scnRNAs par Dcl1p (a). Le Early-scnRNA forme un complexe avec la protéine Argonaute Twi1p (b). Ema1p facilite l'interaction entre le complexe et les ncRNA en cours de production (c). Cette interaction recrute Ezl1p (d), qui catalyse des méthylations de l'histone H3 au niveau de lys9 et lys27 (e). Pdd1p et Pdd3p se lient aux l'histones H3 méthylés et établissent une structure hétérochromatique (f). Tpb2p intervient dans le processus final d'excision de l'ADN (g).

    Régulation épigénétique médiée par l'ARN de l'élimination d'ADN via la comparaison de génomes somatique-germinal

    Le fait que les IES ne partageant aucun motif de séquence commun soulève la question suivante: comment Tetrahymena identifie les IES pour induire l'élimination de l'ADN? Tetrahymena résout ce problème par la comparaison de ses génome germinal et somatique. Dans chaque cellule, Tetrahymena possède un MIC germinal, contenant un génome complet comprenant des IES, et un MAC somatique dans lequel les IES sont éliminés à la sortie de la reproduction sexuée. Ainsi, la cellule est capable d'identifier les IES comme étant des séquences existantes dans le MIC mais bsentes du MAC. Elle utilise des Early-scnRNA dans un système de comparaison génomique transnucléaire. Ce système débarasse non seulement les TE existants, mais aussi les TE ayant nouvellement envahis le MAC transcriptionnellement actif. Nous avons précédemment montré que seuls les Early-scnRNA complémentaires au génome du MAC parental sont dégradés lors de la reproduction sexuelle, et cette dégradation sélective intervient dans la comparaison germinal-somatique des génomes. Nous essayons actuellement de comprendre le mécanisme moléculaire derrière la dégradation sélective des Early-scnRNAs.

    Réseau de reconnaissance trans-génomes pour élimination d’ADN médié par petits ARN

    En plus du mécanisme de comparaison transnulcéaire des génomes somatique et germinal décrit ci-dessus, nous avons récemment montré qu'il existait un autre mécanisme d’identification des séquences apparentées aux TE, toujours médiée par des petits ARN. Nous avons montré que seulement 60% des IES, appelées IES de type A, produisent les Early-scnRNA. Ces scnRNA reconnaissent non seulement les IES de Type A dont ils sont dérivés, mais aussi les autres 40% en trans, appelées IES de Type-B. Cette trans-reconnaissance déclenche l'expression d'un autre ARN d’environ 29-nt, appelé Late-scnRNA, qui identifie d'autres IES. Chez Tetrahymena, les IES sont donc vigoureusement ciblées dans leur élimination par un réseau de reconnaissance trans-génomique, accompagné d'une réaction en chaîne de production de petits ARN. Nous avons constaté que la biogenèse des scnRNA nécessite des composants de l'hétérochromatine. Nous cherchons donc à comprendre comment l'hétérochromatine, qui inhibe généralement la transcription, induit ici la production des Late-scnRNA.

    Figure 3
    Comparaison trans-nucléaire des génomes germinal et somatique, et réseau de trans-reconnaissance dans l'élimination de l'ADN. Les Early-scnRNA sont exprimés à partir des IES de Type A (cases magenta) et de leurs séquences flanquantes situées dans le MIC (i), puis ces derniers sont dégradés dans le MAC parental (ii). Dans le nouveau MAC, les Early-scnRNA reconnaissent les IES à partir desquelles ils sont dérivés (iii), ainsi que d'autres IES de Type-A et Type-B en trans (cases bleu clair) (iv), à partir de courtes séquences communes, pour y déclencher la production de Late scnRNA (v). Dans une IES, les régions produisant des Late-scnRNA se répandent en cis (vi) le long de l’hétérochromatine (Pdd1p, H3K9me).
  • Education

    2000 - Ph. D, The Graduate University for Advanced Studies, School of Life Science, Department of Genetics, Japan
    1997 - Master of Engineering, Tokyo Institute of Technology, School of Bioscience and Biotechnology, Japan
    1995 - Bachelor of Engineering, Tokyo Institute of Technology, Department of Bioscience and Biotechnology, Japan

    Postdoctoral Training and Employment History

    2016-present: Group Leader (CNRS, DR2), Institute of Human Genetics (IGH), Montpellier, France
    2006-2016: Group Leader, Institute of Molecular Biotechnology of the Austrian Academy of Sciences (IMBA), Vienna, Austria
    2001-2005: Postdoctoral fellow, University of Rochester, Laboratory of Prof. Martin A. Gorovsky, Rochester, NY, USA
    2000-2001: Postdoctoral fellow, National Institute of Genetics, Laboratory of Prof. Toshitaka Fujisawa, Mishima, Japan