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Génétique et génomique: relation génotype-phénotype, interactions génome-environnement, épigénétique (DS0405)
Edition 2015


DNA-Life


Impact de l'achitecture nucléaire sur la longévité

Importance de la Dynamique de l’architecture Nucléaire pour la longévité
L’organisation tri-dimmensionnelle des génomes contribue à réguler ses différentes fonctions.

Nous avons récemment montré que le génome adopte une configuration spatiale spécifique dans les cellules quiescentes capables de survivre à long-terme en absence de nutriment, une configuration qui semble contribuer à la longévité de ces cellules (Guidi et al, 2015). Ce projet vise à élucider les mécanismes qui conduisent à cette réorganisation et comment elle pourrait favoriser la longévité.

Nos objectifs sont de déchiffrer les mécanismes régissant la dynamique de l'architecture nucléaire et d’étudier l’impact de l'organisation nucléaire sur la longévité
Malgré l'importance et le caractère ubiquitaire de la quiescence, cet état qui peut varier en fonction de l'histoire de la cellule (O'Farrell 2011) est encore compris. Fait intéressant, la levure bourgeonnante peut atteindre différents états quiescents en fonction des conditions qui induisent la sortie du cycle cellulaire, avec différentes conséquences en termes de longévité (Klosinska et al., 2011). Ainsi, déchiffrer les caractéristiques clés des différents états de quiescence est essentiel pour comprendre les mécanismes qui augmentent la durée de vie.
Nos données récentes (voir ci-dessus) révèlent qu'une réorganisation spatiale du génome favorise la longévité des cellules quiescentes résultant de l'épuisement progressif de la source de carbone.
Sur la base de ces données et en utilisant des approches interdisciplinaires et complémentaires (études génomiques, moléculaires, génétiques et approches avancées en imagerie), nous étudions l'interaction entre la configuration 3D du génome, l'expression de l'ARN (codant ou non) et le maintien de la stabilité du génome lors de transitions métaboliques majeures et pendant une quiescence prolongée.
Ce projet est organisé pour atteindre deux objectifs principaux:
1. Disséquer les mécanismes régissant la dynamique de l'architecture nucléaire en relation avec les changements d’activité du génome
2. Etudier l'impact de l'architecture nucléaire sur la longévité.
Nous explorons différents scenarii non-exculsifs:
i. Les hyperclusters de télomère régulent l'expression des gènes ou cours de la quiescence prolongée ou lors du retour à la croissance,
ii. Les hyper-groupes de télomères ont une incidence sur la stabilité du génome en préservant l'intégrité des extrémités chromosomiques;
iii. Les hyper-groupes de télomères agissent comme un réservoir pour stocker des facteurs qui auraient un effet néfaste pendant une quiescence prolongée mais seraient nécessaires au retour à la croissance.

Pour atteindre ces objectifs, nous utilisons des approches interdisciplinaires et complémentaires: génomiques, moléculaires, génétiques et des approches d'imagerie avancée et quantitative
En utilisant des approches de super-résolution par imagerie de molécules uniques, nous analysons la dynamique stochastique des facteurs et des loci nucléaires et l'architecture de la structure de la chromatine pour identifier les
paramètres physiques sous-jacents au changement de conformation du génome au cours de transitions métaboliques. En outre, les cribles systématiques génétiques et protéomiques permettent d’identifier les facteurs moléculaires régulant la formation de groupements de télomères lors des transition métabolique.
À l'aide d'analyses fonctionnelles et d'analyses transcriptomiques, nous étudions comment l‘organisation tridimensionnelle du génome contribue à la longévité et à la stabilité du génome dans des cellules quiescentes.

Résultats

1. Nous avons caractérisé à une résolution sans précédent la répartition des histones dans les noyaux de cellules dans différents états métaboliques révélant ainsi une organisation spécifique de chaque état
2. Nous avons identifié de nouveaux partenaires Sir3 et de nouveaux sites de modification.
3. Nous avons exclu un rôle du regroupement des télomères dépendant de Sir3 dans la protection des télomères contre le NHEJ en quiescence.

Perspectives

Ce projet fournira des informations nouvelles et fondamentales sur la dynamique de l'organisation et des fonctions nucléaires en réponse aux changements de conditions environnementales. Étant donné que le regroupement de loci silencieux est une caractéristique générale conservée des génomes eucaryotes, nous prévoyons que des principes fondamentaux émergeront de cette étude et seront pertinents pour la formation de compartiments silencieux ou d'autres types de compartiments sous-nucléaires dans d'autres espèces.
Comme mentionné ci-dessus, la plupart des études fonctionnelles sur la levure à bourgeon ont été menées dans des conditions nutritionnelles non limitante sur des cellules en croissance exponentielle. Bien que le transcriptome codant ait été largement étudié en fonction des conditions de culture chez la levure, on connaît peu l'expression non codante dans ces différentes conditions. De même, nous avons une connaissance limitée des mécanismes impliqués dans la stabilité du génome lors d'un arrêt prolongé du cycle cellulaire.
La longévité chronologique dans la levure s'est révélée être un bon modèle pour le vieillissement des cellules de mammifères post-mitotiques et a souvent prédit des processus influençant la durée de vie dans différentes espèces, nous prévoyons donc que
des principes généraux émergeront de cette étude qui auront des implications pertinentes dans d'autres organismes.

Productions scientifiques et brevets

1. de Andres-Pablo A, Morillon A*, Wery M. LncRNAs, lost in translation or licence to regulate? Curr Genet. 2016 May 26. Review. *Corresponding author
2. 3-Wery M.,,Descrimes M., Vogt N., Dallongeville AS., Gautheret D. and Antonin Morillon. Nonsense-Mediated Decay restricts lncRNAs levels in yeast unless blocked by double-stranded RNA structure. Mol Cell. 2016 Feb 4;61(3):379-92.

Partenaires

CEA - LTR Laboratoire Télomères et Réparation du Chromosome, CEA

IC Institut Curie - UMR3244

IC Institut Curie - UMR3664

Aide de l'ANR 500 000 euros
Début et durée du projet scientifique octobre 2015 - 42 mois

Résumé de soumission

L'organisation tridimensionnelle du génome est clairement liée à sa fonction puisqu’elle varie au cours du cycle cellulaire et de la différenciation. Cependant, la relation de causalité entre cette organisation et les fonctions nucléaires reste souvent insaisissable. La levure bourgeonnante s’est révélée un excellent système modèle pour tester le rôle fonctionnel de l'organisation spatiale du génome. Des travaux menés au cours des deux dernières décennies ont révélé une organisation définie, bien que dynamique, du génome de la levure, qui influe sur l'expression des gènes et la stabilité du génome par des mécanismes encore mal compris.
La plupart de ces études ont été menées dans des conditions de culture riches en nutriments sur des cellules en croissance exponentielle. Cependant ces conditions sont rares dans la nature et les levures comme de nombreux organismes sont le plus souvent dans un état de quiescence. Malgré l'omniprésence et l'importance de la quiescence, nous avons une compréhension limitée de la nature de cet état qui peut varier en fonction de l'histoire de la cellule. En effet, S. cerevisiae peut atteindre différents états de quiescence - en fonction des conditions induisant la sortie du cycle cellulaire - avec des conséquences très différentes sur la survie à long terme. Etudier les principales caractéristiques des différents états de quiescence est donc essentiel pour comprendre les mécanismes qui étendent la durée de vie.
Nous avons récemment montré que les chromosomes adoptent une organisation spatiale distincte selon l'état métabolique de la cellule. En particulier, après épuisement des sources de carbone, les télomères se regroupent au centre du noyau en un foyer unique ou "hypercluster", contraignant ainsi l'organisation globale du génome. Cette organisation est spécifique des cellules quiescentes capables de maintenir la viabilité à long terme et contribue à la longévité des cellules quiescentes par un mécanisme qui reste à élucider.
Ici, nous visons à disséquer les mécanismes qui régulent la dynamique de l'architecture nucléaire en fonction des conditions environnementale et à étudier comment cette architecture peur influencer la survie des cellules à long terme.
Par une combinaison d’approches de biologie cellulaire, génétiques et omiques, nous étudierons les relations entre l’organisation spatiale du génome, l’expression des ARN (codants et non codants), la stabilité du génome et la longévité des cellules quiescentes (Guidi et al, en revue).
Ce projet adressera deux questions complémentaires:
1. Quels sont les mécanismes qui sous-tendent la dynamique de l'architecture nucléaire en réponse aux changements de conditions environnementales ?
Nous étudierons d’une part les paramètres physiques de la chromatine en étudiant la dynamique et la structure à haute résolution de la chromatine et de facteurs associés aux télomères par des approches basées sur l’imagerie de molécules uniques D’autre part, nous mènerons des cribles génétiques et protéomiques pour identifier les facteurs moléculaires qui régulent le regroupement des télomères en fonction de l’état métabolique des cellules.
2. Comment l’organisation spatiale du génome contribue-t-elle à longévité des cellules quiescentes?
Nous explorerons trois scénarios possibles: i) cette organisation contribue à la régulation de l’expression d’ARN codants ou non codants importants pour la survie cellulaire à long terme ou lors du retour à la croissance; ii) cette organisation favorise la stabilité du génome; iii) cette organisation permet la séquestration de facteurs qui peuvent avoir des effets nuisibles ailleurs dans la cellule lors d'une quiescence prolongée.
Etant donné que les études menées sur la survie des cellules quiescentes chez la levure ont souvent été prédictives des processus qui influent sur la durée de vie d’autres espèces, nous prévoyons que des principes fondamentaux ressortent de nos études avec de larges implications dans d'autres organismes.

 

Programme ANR : Génétique et génomique: relation génotype-phénotype, interactions génome-environnement, épigénétique (DS0405) 2015

Référence projet : ANR-15-CE12-0007

Coordinateur du projet :
Madame Angela Taddei (Institut Curie - UMR3664)

 

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L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.