Les histones déméthylases JMJD2A et JARID1A/B dans la régulation transcriptionnelle de la prolifération cellulaire

L'ADN des cellules eucaryotes est enroulé autour de protéines appelées histones pour former la chromatine. Le niveau de compaction de la chromatine est dynamique. Ceci permet de réguler via l'accessibilité de l'ADN, les processus comme la transcription. Les histones peuvent subir des modifications post traductionnelles comme la méthylation, qui influencent le niveau de compaction de la chromatine. Par exemple, au niveau des promoteurs des gènes, la méthylation sur la lysine 9 de l'histone H3 (H3K9) est associée à la répression transcriptionnelle, tandis que la méthylation sur la lysine 4 (H3K4) est associée a l'activation transcriptionnelle. Ces marques sont mises en place par des histones méthyltransférases et enlevées par des histones déméthylases qui sont spécifiques des résidus méthylés. Ma thèse a porté sur l'étude d'histone déméthylases dans la régulation transcriptionnelle de gènes clé de la prolifération cellulaire, les gènes cibles de E2F et l'ADN ribosomique. Les facteurs E2Fs régulent des gènes comme CCNE et CDC6 impliques dans l'entrée et la progression en phase S. Ces gènes sont activés au début de la phase S. Le contrôle de la transcription de ces gènes est crucial pour un cycle cellulaire normal et leur dérégulation est associée à l'apparition de cancers. La répression et l'activation des gènes cibles de E2F au cours du cycle cellulaire fait intervenir le contrôle de la méthylation des résidus H3K4 et H3K9. Cependant, les histone déméthylases impliquées sont mal connues. Nous avons montré que les histones déméthylases JARID1A et JARID1B, spécifiques de H3K4, régulent la transcription de CCNE et CDC6 en phase S. JARID1A et JARID1B sont recrutées au promoteur de ces gènes. Elles sont importantes pour limiter leur activation lors de la progression en phase S. Cette étude montre pour la première fois l'implication de ces histones déméthylases dans la régulation fine des gènes cibles de E2F au cours du cycle cellulaire. La transcription des gènes ribosomiques ou ADNr par l'ARN Polymérase I (Pol-I) est la première étape de la biogénèse des ribosomes. Elle a lieu dans les nucléoles. Ce processus est étroitement lié à la croissance et la prolifération cellulaire. Une transcription Pol-I accrue et des nucléoles hypertrophiés sont des caractéristiques communes à un grand nombre de cellules cancéreuses. La transcription Pol-I est adaptée à la disponibilité en facteurs de croissance. Ainsi, elle est réprimée lorsque les cellules sont privées en facteurs de croissance et activée en leur présence. Cette réponse est sous le contrôle de cascades de signalisation cellulaire comme la voie Phosphatidyl-Inositol-3-Phosphate (PI3K). Il est connu que des événements dynamiques de méthylation d'histones participent à cette régulation. Cependant, on sait peu de choses sur comment les voies de signalisation régulent ces événements. En collaboration avec l'équipe du Dr. Konstantin Panov, nous avons observé que l'histone déméthylase JMJD2A, spécifique de H3K9, est présente dans les nucléoles de cellules humaines. JMJD2A, via sa capacité à déméthyler H3K9, est requise pour activer la transcription Pol-I en réponse aux facteurs de croissance. Nous montrons également que PI3K régule cette réponse chromatinienne en déclenchant l'accumulation de JMJD2A dans les nucléoles en réponse aux facteurs de croissance. Cette étude indique que la régulation de la localisation subnucléraire de JMJD2A en réponse à la voie PI3K est un des mécanismes par lesquels les cellules adaptent leur capacité de synthèse protéique à la disponibilité de facteurs de croissance. Mes travaux de thèse renforcent notre compréhension des mécanismes impliquant des histones déméthylases dans la régulation de la prolifération cellulaire. Comprendre ces mécanismes est crucial et permettra de cibler ces enzymes dans le traitement des pathologies de la prolifération cellulaire comme le cancer.In eukaryote nuclei, DNA is wrapped around histone proteins. This structure is called the chromatin. The compaction level of chromatin is highly dynamic. This allows the regulation of gene transcription which requires free access to the DNA. Histone proteins undergo several post translational modifications including methylation that impact chromatin compaction. For example, at genes promoters, methylation on the lysine 9 of histone H3 (H3K9) is associated with chromatin compaction and thereby transcription repression, whereas methylation on histone H3 lysine 4 (H3K4) is associated with transcriptional activation. Histone methylation is set by enzymes called histone methyltransferases and removed by histone demethylases which are specific for methylated residues. During my PhD, I studied the role of histone demethylases in the transcriptional regulation of cell proliferation master genes, E2F-regulated genes and rDNA transcription. E2F transcription factors regulate genes like CCNE or CDC6 involved in entry and progression through S phase. Those genes must be activated at the onset of S phase. The transcriptional control of those genes is crucial for a normal cell cycle, and their deregulation is associated with cancer development. Histone methylation events are involved in the repression and activation of E2F target genes during cell cycle progression. However the histone demethylases involved are still unclear. We have shown that the H3K4-specific histone demethylases JARID1A and JARID1B are involved in the fine-tuning of CCNE and CDC6 transcription during S phase. JARID1A and JARID1B are recruited on the promoter of those genes and help limiting their activation at the beginning of S phase. This study shows for the first time the role of those histone demethylases in the fine tuned regulation of E2F targets genes during S phase. Ribosomal DNA (rDNA) transcription is the first step of ribosome biogenesis. rDNA is transcribed in the nucleolus by RNA polymerase I (Pol-I). Pol-I transcription is tightly linked to cell growth and proliferation. High levels of Pol-I transcription along with hypertrophied nucleoli is a hallmark of several cancers cells. Pol-I transcription must be regulated according to the availability of growth factors. It is repressed when the cells are deprived of growth factors and activated when growth factors are available. This regulation is under the control of cellular signaling pathways including the Phosphatidyl-Inositol-3-Kinase (PI3K) pathway. Histone methylation events are known to play a role in this regulation. However little is known about how the cell signaling pathways modulate the chromatin response in this process. In collaboration with the team of Dr. Konstantin Panov, we observed that the H3K9-specific histone demethylase JMJD2A is present in the nucleoli of human cells. We showed that JMJD2A, through its ability to demethylate H3K9, is required for the activation of Pol-I transcription in response to growth factors. We further show that PI3K regulate this chromatin response by triggering accumulation of JMJD2A in the nucleoli in response to growth factors. This study demonstrates a yet unknown role for JMJD2A in Pol-I transcription and suggests that the control of JMJD2A localization by the PI3K pathway is a crucial mechanism by which cells adapt protein synthesis to the availability of growth factors. My PhD work helps strengthening our understanding of the mechanisms that involve histone demethylases in the regulation of cell proliferation genes. Understanding those mechanisms is crucial as it might help targeting those enzymes for the treatment of cell proliferation-associated diseases like cancer