Three-dimensional organization of genomes in differentiating cells

All of the features and functions of a cell are defined by the linear sequence of nucleotides in its DNA. If it were to be aligned end to end, the human genome would be nearly two meters long, yet it manages to exist in the nuclei of cells that are a fraction of this size. Extensive and complex folding is thus required to satisfy this physical constraint, and is increasingly appearing to be linked with the regulation of genes and other properties of the genome. These discoveries are driven primarily by the rapidly evolving 3C-based molecular biology techniques, which infer chromatin organization at individual loci or across entire genomes. In this work, we apply 3C-based approaches to identify patterns in chromatin organization throughout cellular differentiation and how they are connected with gene expression and other genomic features. We first demonstrate using 3C and 5C how the 5’ HoxA genes in THP-1 monocytes became organized in a more compact state after differentiation into macrophage like cells, correlating with a marked decrease in expression in those genes. This was supported by the development of the first computational tools to model the cluster from chromatin interaction data. Next, we identified in a mouse neuronal differentiation system using Hi-C that topologically associating domains (TADs) hierarchically associate with neighbors into larger domains termed metaTADs. We observed that pairs of TADs proximal in the hierarchy were more likely to have similar patterns of expression than pairs of TADs located more distally. These results suggest that chromosomes themselves are folded hierarchically within interphase nuclei, with far reaching biological implications. Lastly, we began exploring the differences in chromosome compartments, TADs, and chromatin looping within this neuronal differentiation model. We propose that these changes could be associated with cell-type specific expression changes influencing the fate of the cell, and suggest ways in which to characterize these changes. Together, these studies attempt to further characterize the links between the folding of chromatin and regulation of the genome at different scales. Understanding the interplay between these elements is essential to both better predict the transcriptional output from a given system and to discover the physical mechanisms that drive the output.Les caractéristiques et les fonctions d'une cellule sont définies par la séquence linéaire de nucléotides dans l'ADN. S'il devait être aligné bout à bout, le génome humain serait d'une longueur d'environ deux mètres. Celui-ci est toutefois confiné dans un noyau ayant une taille bien inférieure. Un repliement complexe de l'ADN est donc nécessaire pour satisfaire cette contrainte physique. Plusieurs études suggèrent un lien entre ce repliement, la régulation génique et d'autres propriétés du génome. Ces découvertes sont supportées principalement par le développement rapide d'une technique de biologie moléculaire nommée 3C qui permet de caractériser l'organisation tri-dimensionnelle de la chromatine, à un locus précis ou à l'échelle du génome entier.Dans ce travail, nous appliquons des techniques dérivées du 3C afin de définir l'organisation tri-dimensionnelle de la chromatine pendant la différenciation cellulaire, dans le but de comprendre son rôle dans la régulation génique et d'autres caractérisques génomiques. Dans un premier temps, nous avons montré, par 3C et par 5C, que les gènes situés en 5 prime de HoxA dans des cellules monocytes de type THP-1 forment une structure plus compacte suite à la différentiation en macrophage, qui se traduit par une diminution de l'expression des gènes associés. De plus, les résultats d'interaction de la chromatine générés ont permis le développement d'outils informatiques permettant la modélisation de la région HoxA. Par la suite, en utilisant le Hi-C dans un système de différentiation neuronale chez la souris, nous avons découvert que les TADs forment une association hiérarchique avec leurs voisins pour former des metaTADs, une structure plus large. Nous avons observé que les TADs proches dans cette hiérarchie sont plus susceptibles de montrer une expression génique semblable, en comparaison avec des TADs qui sont plus distale dans le hiérarchie. Ces résultats suggèrent que les chromosomes, lors de l'interphase, sont eux-mêmes repliés de façon hiérarchique dans le noyau, et ce repliement a des implications biologiques immenses. Finalement, nous commençons à explorer les différences entre la compartimentation des chromosomes, les TADs, ainsi que les boucles dans un modèle de différenciation de cellules en neurones. Notre hypothèse est que les différences ont un impact sur l'expression génique, ayant pour effet d'influencer le type cellulaire qui en résulte. Nous suggérons plusieurs stratégies pour caractériser ces changements.Le travail présenté dans cette thèse vise a comprendre le lien entre le repliement de la chromatine et son influence sur la régulation du génome, et ce, à différentes échelles. Comprendre l'interaction entre ces éléments est essentiel pour, non seulement améliorer les prédictions sur la transcription génique des systèmes génomique, mais aussi pour découvrir les mécanismes physiques supportant ces interactions