A trans-methylation mechanism between the two major H3K9 methyltransferases SETDB1 and SUV39H1 regulates heterochromatin establishment

La méthylation de la lysine 9 de l’histone 3 (H3K9), établie par les lysine méthyltransférases (KMTs) SETDB1, SUV39H1, G9A et GLP, représente un mécanisme épigénétique central dans la régulation du destin cellulaire. En particulier, la methylation d’H3K9 est directement impliquée dans la formation de l’hétérochromatine et l’extinction des gènes. Notre laboratoire a montré que les principales KMTs (SETDB1, G9A, GLP et SUV39H1) spécifiques de H3K9 forment un méga-complexe impliqué dans la répression transcriptionnelle, probablement via une coopération pour établir les différents niveaux de méthylation. Néanmoins, la régulation des complexes de H3K9 KMT n’est jusqu’à présent pas bien comprise. Il est à noter que des modifications post-traductionnelles (PTM) ont été impliquées dans la régulation des fonctions des KMTs. Dans ce contexte, mon projet visait à comprendre comment la méthylation de SETDB1 régulerait son activité (incorporation dans des complexes, interaction avec ses partenaires, recrutement à la chromatine). Le but étant d’établir quel impact auraient ces modifications de SETDB1 sur la formation de l’hétérochromatine, l’expression des gènes et la régulation du destin cellulaire. SETDB1 est cruciale lors du développement et de la différençiation cellulaire. De plus, SETDB1 est essentielle pour la pluripotence et le renouvellement des cellules souches embryonnaires murines (mESC). L’inactivation génique de ou KO de Setdb1 est létal au stade préimplantatoire à 7,5 jours post-coïtum (dpc). En plus des histones, SETDB1 méthyle d’autres protéines comme UBF, ING2 et p53. Mes résultats montrent notamment, que SETDB1 s’autométhyle sur les lysines K1170 et K1178 localisées dans le domaine catalytique SET. SETDB1 et SUV39H1 coordonnent l’établissement et la maintenance de H3K9me3 dans l’hétérochromatine péricentromérique constitutive et co-régulent de nombreuses cibles génomiques dans l’hétérochromatine, dont les éléments transposables comme les Long Interspersed Nuclear Elements (LINEs) et les rétrovirus endogènes (ERVs). Comme SUV39H1 est une triméthyltransférase qui utilise H3K9me1 ou H3K9me2 comme substrat primaire, SETDB1 pourrait probablement fournir les mono- ou di-méthyl H3K9. Mes résultats suggèrent un modèle dans lequel l’auto-méthylation de SETDB1 est pré-requise à la trans-méthylation subséquente par SUV39H1. Ce mécanisme pourrait réguler non seulement l’interaction physique entre SETDB1 et SUV39H1, via le chromodomaine de SUV39H1, mais aussi leur coopération dans l’établissement et la maintenance des blocs (grands domaines) d’hétérochromatine et l’extinction des éléments transposables, au moins dans les cellules souches. Ainsi, nous souhaitons mieux comprendre comment le « dialogue » entre ces deux H3K9 KMT majeures, SETDB1 et SUV39H1, est impliqué dans leurs interactions et leurs recrutements aux loci cibles.Histone H3 lysine 9 (H3K9) methylation, which is established by the lysine methyltransferases (KMTs) SETDB1, SUV39H1, G9A and GLP, is a central epigenetic mechanism involved in cell fate regulation. In particular, H3K9 methylation is directly involved in heterochromatin formation and gene silencing. Our lab showed that the main H3K9 KMTs (SETDB1, G9A, GLP and SUV39H1) form a functional megacomplex involved in transcriptional silencing, probably via the cooperative establishment of the different H3K9 methylation levels. However, up to now, the regulation of the H3K9 KMT complexes is not fully understood. Interestingly, post-translational modifications (PTMs) have been implicated in the regulation of H3K9 KMT functions. In this, my PhD thesis aimed to decipher how methylation of SETDB1, regulates its activity (complex formation, interaction with partners, recruitment to chromatin), which ultimately could impact on heterochromatin formation, gene expression and cell fate regulation. SETDB1 is crucial during development and cellular differentiation. Moreover, SETDB1 is essential in mouse embryonic stem cells (mESCs) pluripotency and self-renewal, Setbd1 KO is lethal at the peri-implantation stage at 7.5 days postcoitum (dpc). Beside histones, SETDB1 is also able to methylate other proteins (e.g. UBF, ING2, p53). Notably, my current data show that SETDB1 undergoes (auto)methylation on the lysines K1170 and K1178 located inside its catalytic SET domain. SETDB1 and SUV39H1 coordinate the establishment and maintenance of H3K9me3 at constitutive pericentromeric heterochromatin and co-regulate many genomic targets within heterochromatin, including transposable elements, such as long interspersed nuclear elements (LINEs) and endogenous retroviruses (ERVs). Since SUV39H1 is a H3K9 tri-methyltransferase that uses H3K9me1 or H3K9me2 as a primary substrate, SETDB1 could probably provide mono- or di-methylated H3K9. Interestingly, my results point to a model in which SETDB1 auto-methylation paves the path to a subsequent trans-methylation by SUV39H1. This mechanism could regulate not only the SETDB1/SUV39H1 physical interaction (via the SUV39H1 chromodomain), but also cooperation in the establishment and maintenance of both heterochromatin blocks (large domains) and transposable elements (TEs) silencing, at least in ES cells. Thus, we would like to better understand how the crosstalk between these two key H3K9 KMTs, SETDB1 and SUV39H1, occurs in terms of interaction and recruitment to target loci