Unraveling the functions and mechanisms of epigenetic switching in mammals

Décryptage des fonctions et mécanismes de la commutation épigénétique chez les mammifères Chez les mammifères, la méthylation de l'ADN en 5-méthylcytosine (5mC) est une modification épigénétique conservée, présente surtout dans le contexte CpG. Dans les éléments régulateurs riches en CpG, comme les îlots CpG (CGI) des promoteurs, elle est associée à une répression génique stable. Toutefois, la plupart des promoteurs CGI des gènes codant pour des protéines restent exempts de 5mC ; leur répression est souvent assurée par les Complexes Répressifs Polycomb (PcG), PRC1 et PRC2, qui déposent respectivement la monoubiquitination de H2AK119 (H2AK119ub) et la triméthylation de H3K27 (H3K27me3). La 5mC et les PcG sont en général mutuellement exclusifs dans les régions riches en CpG. Au cours de l'embryogenèse chez les mammifères, l'épigénome subit une transformation importante : lorsque l'embryon s'implante, les niveaux globaux de 5mC passent de faibles à élevés, tandis que la marque H3K27me3 associée à PcG présente une tendance inverse. Ce phénomène est crucial pour un développement approprié, comme en témoigne la léthalité embryonnaire chez les mutants des deux voies. Pour modéliser cette reprogrammation, nous avons utilisé un système de différenciation cellulaire des cellules souches embryonnaires de souris (ESC) vers des cellules épiblastiques primées (EpiLC). En utilisant comme contrôle une lignée triple knock-out (TKO) pour les ADN méthyltransférases (Dnmt), dépourvue de 5mC, nous avons identifié 1301 régions de commutation (SWR, pour SWitch Regions) où la 5mC remplace H3K27me3 lors de la différenciation. Notamment, 163 loci montrent une activation génique associée à cette transition, révélant un rôle non canonique de la 5mC. Ma thèse a exploré ce mode de régulation, en se concentrant sur l'antagonisme entre 5mC et PcG. Grâce à des outils d'édition épigénomique de précision, j'ai confirmé que la 5mC supprime le dépôt de H3K27me3 et favorise l'activation de certains gènes (Zdbf2, Celsr2, Atp4a) durant la transition ESC-EpiLC. Nous avons ensuite testé ce système in vivo en injectant des zygotes avec les mêmes constructions ciblant les SWR de Zdbf2 ou Celsr2. Bien que l'édition ait réussi, nous avons observé peu de changements d'expression, probablement en raison d'une faible efficacité ou de mécanismes compensatoires. Ces résultats restent préliminaires et fondés sur un nombre limité de souriceaux. Pour explorer les mécanismes de la commutation PcG-5mC, nous avons étudié PRC1.6, un complexe PRC1 variant. D'après des bases de données publiques, des sites de liaisons de sa sous-unité PCGF6 chevauchent certaines SWR. PRC1.6 étant connu pour induire ce changement PcG-5mC sur des gènes « dits » germinaux (réprimé vers réprimé), nous avons émis l'hypothèse d'un rôle similaire dans les SWR activants (réprimé vers activé). Toutefois, nos données préliminaires ne soutiennent pas ce rôle lors de la différenciation en EpiLC. Toujours intéressés par PRC1.6 et son rôle potentiel dans le recrutement de la 5mC, nous avons réutilisé notre système d'édition pour recréer un scénario de gène germinal artificiel. Nous avons démontré que l'adresse ectopique de PCGF6, suivi du recrutement de PRC1.6, suffit à induire un gain de 5mC sur un locus (Acp1). Ce système artificiel dissocie le mécanisme de commutation de son contexte natif, fournissant un outil pour comprendre comment PRC1.6 et ses partenaires induisent la 5mC à des loci spécifiques. Ce travail éclaire l'interaction dynamique entre PcG et 5mC au cours du développement, et établit une plateforme flexible pour étudier comment des régulateurs comme PRC1.6 induisent la 5mC lors de l'embryogenèse précoce.