Corégulation de gènes en cis et organisation 3D du génome – Une étude par l’imagerie de molécules uniques

Le génome eucaryote est organisé dans l’espace et le long de sa séquence. Du chromosome aux gènes, son organisation 3D est étroitement liée à son activité transcriptionnelle. A une échelle inférieure à la mégabase, le génome est organisé physiquement en domaines d’auto-interaction (TAD, pour topologically associating domains), que l’on pense influencer l’action de séquences régulatrices des gènes, appelées ‘amplificateurs’. Les TAD sont parfois vus comme des ‘unités de régulation’ permettant de coréguler plusieurs gènes en les exposant aux mêmes amplificateurs. L’expression de gènes d’un même TAD est en effet souvent corrélée entre tissus et types cellulaires. On sait d’autre part que l’expression de gènes fonctionnellement liés est aussi souvent corrélée. Cependant, le rôle que joue l’organisation 3D d’un locus génomique dans la corégulation de gènes fonctionnellement liés reste mal compris. Par des techniques d’imagerie de molécules uniques, j’ai observé, dans des cellules individuelles, la position et la transcription de trois gènes adjacents et fonctionnellement liés, partageant –ou non– les mêmes amplificateurs. J’ai utilisé comme système modèle la réponse à l’œstrogène dans des cellules MCF7. En combinant les techniques de FISH ARN et ADN, j’ai mesuré le couplage transcriptionnel de paires de gènes en cis, mettant en évidence une augmentation de la corrélation entre gènes d’un même TAD en réponse à l’œstrogène. Une perturbation de la frontière entre TAD indique également le rôle des contacts génomiques dans la corégulation de gènes. Ces travaux posent les bases pour comprendre comment les amplificateurs et les gènes communiquent et coordonnent leur activité en 3D.The eukaryotic genome is highly organized in both space and sequence. From entire chromosomes to individual genes the 3D organization of the genome is linked to transcription and many regulatory mechanisms likely coexist at different scales. At the sub-megabase scale, the genome is physically organized into self-interacting topologically associating domains (TADs) that are thought to constrain the range of action of gene regulatory elements called ‘enhancers’. Current data suggest that TADs serve as ‘regulatory units’ to coregulate multiple genes by exposing them to the same enhancers. Genes from the same TAD indeed often display correlated expression across different tissues and cell types. Interestingly, correlated expression is seen between functionally related genes. However, how 3D organization at an individual locus plays a mechanistic role in coregulating functionally related genes is unknown. Using single-molecule imaging, I observed in single cells the spatial positions and transcription of three adjacent functionally related genes regulated by the same/different enhancers. I used estrogen stimulation in MCF7 cells as a model system to study hormone-responsive genes and enhancers. Using combined RNA-DNA FISH, I measured the coupling between genes as the correlation in cis of their transcription. I found, that stimulation with estrogen increases the correlation in cis between genes belonging to the same TAD. Perturbation of the TAD boundary revealed the contribution of contact insulation to gene coregulation. Together, this work lays the ground towards an understanding of how enhancers and genes communicate and coordinate their activity within the 3D genome