Roles of the histone variant macroH2A1 in gene regulation and genome organization

De nombreux facteurs sont impliqués dans l'organisation tridimensionnelle (3D) de la chromatine et ses processus associés tel que l'expression contrôlée des gènes. Parmi ces facteurs, l'incorporation locus-spécifique des variants d'histones constitue un mécanisme indispensable à de nombreux processus nucléaires. Le variant d'histone macroH2A1 (mH2A1), exprimé sous la forme de deux variants d'épissage mH2A1.1 et mH2A1.2, est important pour l'exécution contrôlée de nombreux processus moléculaires et cellulaires tels que, de manière non exhaustive, la transcription de l'ADN, la réparation des cassures d'ADN, l'organisation 3D du génome, la différenciation/reprogrammation cellulaire, la senescence et la prolifération cancéreuse. Les mécanismes moléculaires par lesquels mH2A1 régule ces processus sont toutefois encore mal caractérisés. Dans ce contexte, l'objectif de mes travaux de thèse était d'aboutir à une meilleure compréhension des actions transcriptionnelle et organisationnelle de mH2A1. Mes travaux se sont divisés en deux grands axes de recherche. Le premier axe consistait en l'analyse des rôles de l'isoforme mH2A1.1 dans une lignée cellulaire cancéreuse mammaire triple négative (TNBC) de référence à haut potentiel métastatique, la lignée MDA-MB 231. Pour cela, j'ai combiné des données transcriptomiques avec des données de ChIP-seq, HiC et PCHiC en condition contrôle et de déplétion de mH2A1.1. Le deuxième axe consistait en l'analyse du recrutement de mH2A1 sur les régions péricentromériques du génome et mesurer son impact sur l'organisation 3D de ces dernières. Pour cela, j'ai utilisé des approches de microscopie sur cellule murine contrôle et n'exprimant pas mH2A1. Concernant le premier axe, j'ai montré que l'isoforme mH2A1.1 active ou réprime l'expression de nombreux gènes associés à une large gamme de processus biologiques, en particulier importants pour la migration cellulaire. En accord, j'ai montré que mH2A1.1 inhibait la migration cellulaire des cellules TNBC MDA-MB 231. J'ai montré que mH2A1.1 activait l'expression de ses gènes cibles en régulant la pause de l'ARN Polymerase II. En revanche, aucune preuve d'un rôle de mH2A1.1 dans le contrôle des interactions enhancers/promoteurs et dans l'organisation générale de la chromatine n'a été trouvée. Concernant le second axe, j'ai montré que les deux isoformes de mH2A1 étaient recrutées sur les régions péricentromériques suite à divers traitements influençant l'homéostasie nucléaire. Néanmoins, j'ai trouvé que l'absence de mH2A1 ne semble pas agir sur l'organisation 3D de ces loci génomiques. Mes travaux de thèse ont ainsi permis de mieux caractériser par quel processus moléculaire mH2A1, en particulier l'isoforme mH2A1.1, régule l'expression génique mais ont également remis en doute l'idée que mH2A1 serait fonctionnellement impliquée dans la structure de la chromatine, à différentes échelles organisationnelles mais aussi vis-à-vis des différents états chromatiniens.Many factors regulate three-dimensional (3D) chromatin organization and DNA-related processes such as controlled gene expression. Among them, locus-specific incorporation of histones variants is essential for many nuclear processes. The histone variant macroH2A1 (mH2A1), expressed as two splicing isoforms mH2A1.1 and mH2A1.2, is important for the controlled execution of many molecular and cellular processes such as, in a non-exhaustive way, gene transcription, DNA repair, 3D genome organization, cellular differentiation and reprogramming, senescence and cancerous proliferation. Underlying molecular mechanisms by which mH2A1 regulates these processes are still poorly characterized. Based on this, the aim of my thesis was to gain a more comprehensive view of mH2A1 transcriptional and organizational actions at specific loci and at the level of the whole genome. My work was divided into two main research axes. The first axis consisted in the analysis of the roles of the isoform mH2A1.1 in a reference triple negative breast cancer (TNBC) cell line MDA-MB 231, characterized by a high metastatic potential. To this aim, I have combined transcriptomic data with ChIP-seq, HiC and PCHiC data in control and mH2A1.1-depleted cells. The second axis consisted in the analysis of the recruitment of mH2A1 to pericentric heterochromatin regions and the investigation of its impact on their 3D chromatin organization. To this aim, I have used single cell microscopy and quantitative image analysis in control and mH2A1-depleted murine fibroblastic cells. Concerning the first axis, I found that mH2A1.1 isoform up- or down-regulates many genes associated with a wide range of biological processes, particularly important for cell migration. In agreement, mH2A1.1 inhibits cell migration of the TNBC MDA-MB 231 cells. I demonstrated that mH2A1.1 actives its target gene expression by regulating ARN Polymerase II pausing. However, no evidence for a role for mH2A1 in the control of chromatin looping between enhancers/promoters and at the genome-wide scale was found. Concerning the second axis, I showed that both isoforms of mH2A1 were recruited to pericentric heterochromatin following various treatments influencing nuclear homeostasis. However, mH2A1 did not seem to be necessary for the chromatin organization of these loci. My thesis works provide new insights into the molecular mechanisms by which mH2A1, in particular its isoform mH2A1.1, regulates gene expression but they also question the idea that mH2A1 is functionally involved in chromatin structure at different organizational scales of the genome and at different chromatin states