Projet ANR-10-JCJC-1601 – BIVANDEV : "Chromatine bivalente et destin cellulaire"
Programme : JCJC : Sciences de la vie, de la santé et des écosystèmes :  Génomique, génomique fonctionnelle, bioinformatique, biologie systémique (JCJC SVSE 6)
Année de financement : 2010
Coordinateur du projet : Monsieur Philippe Arnaud (CNRS RHONE AUVERGNE Genetique Reproduction et developpement (GRED))
Partenaires : Institut de Génétique Moléculaire de Montpellier; Laboratoire de Génétique, Reproduction et Développement
Montant : 353390.0 euros
Date de début : 2011
Durée : 36 mois
Résumé : Etude d’un nouvel acteur du contrôle du destin cellulaireLa compréhension des processus arbitrant la différenciation des cellules souches vers telle ou telle lignée cellulaire ou organe est d’une importance capitale, tant du point de vue fondamental que pour des applications thérapeutiques visant à utiliser les cellules souches en médecine régénératrice. Notre projet s’inscrit précisément dans cette problématique en se focalisant sur un nouvel acteur potentiel du contrôle du destin cellulaire.
Rôle d’une structure chromatinienne atypique dans le contrôle du destin cellulaireChacune de nos cellules est issue de la même cellule mère (l’œuf) et possède le même capital génétique, pourtant une cellule hépatique et une cellule de l'iris, par exemple, ont des caractéristiques différentes. Lors de la différenciation des cellules souches vers tel ou tel  type cellulaire ce n'est, en effet, pas le même panel de gènes qui sera activé/réprimé, impliquant l’acquisition de morphologies et de fonctions différentes. Les mécanismes permettant à certains gènes d'être verrouillés ou activités s'appuient en grande partie sur une famille de facteurs particuliers : les facteurs épigénétiques. Ces facteurs, en modifiant chimiquement la chromatine (i.e : l'ADN et les protéines qui lui sont associées-les histones) vont moduler l'expression génique. De ce fait l'action des facteurs épigénétique a un rôle clé dans le développement. Toutefois, comment précisément ces modifications épigénétiques participent à l’établissement d’une identité cellulaire, reste mal connu. La mise en évidence récente d’une  structure chromatinienne atypiques offre l'opportunité d'appréhender cette question sous un angle nouveau. Cette structure particulière confère en effet  aux gènes qui la possèdent un état intermédiaire entre le verrouillage et l’activation. Ces structures sont impliquées dans la régulation fine du programme transcriptionnel des cellules souches et sont de fait pressenties pour jouer un rôle décisionnel lors de l’acquisition d’une identité cellulaire chez la souris et l’homme. Le projet vise plus particulièrement à élucider les mécanismes impliqués dans le contrôle des structures bivalentes au cours des grandes étapes du  développement murin (différenciation et reprogrammation entre les générations), associé à l’identification des causes de leur dérégulation dans des pathologies humaines.  
 « Méthodes / approches »La réalisation du projet s’appuie sur l’utilisation d’un panel de gènes que nous avons identifiés comme étant contrôlé par un domaine bivalent spécifiquement lors de la formation des lignées neurales. Afin d’étudier les mécanismes impliqués dans le contrôle de ce panel de domaines bivalents nous avons développé un modèle de différenciation  in vitro qui récapitule les grandes étapes de la formation des lignées neurales, depuis la cellule souche jusqu’à la formation des neurones et cellules gliales. A l’aide de ce modèle  nous pouvons évaluer la dynamique des domaines bivalents  (i.e : maintien ; résolution vers une structure fermé ; résolution vers une structure ouverte) et de l’ensemble des facteurs  (cis et trans) potentiellement impliqués dans leur contrôle. Le rôle de ces facteurs sur le contrôle des domaines bivalents est de plus évalué en étudiant l’effet de leur inactivation ou de leur sur-expression dans différentes lignées cellulaire  in-vitro.  Pour les facteurs ainsi jugés les plus pertinents, une approche d’inactivation ciblée sera réalisée in-vivo.La recherche des  causes de la dérégulation des domaines bivalents dans des pathologies humaines est menée sur des gliomes et glioblastomes issues d’une tumorothéque, permettant ainsi d’avoir pour chaque échantillon étudié des cliniques et histophatologiques  précises. En parallèle, nous étudions la régulation de ces domaines à une étape clé du développement, lors de la reprogrammation entre les générations. En effet, pour qu'un nouvel individu puisse se développer et former un organisme à part entière, les patrons épigénétiques sont effacés et reconfigurées entre les générations. Notre étude s’appuie des techniques que nous avons récemment développées, tant dans l'isolation spécifiques des cellules  germinales primordiales que dans la «miniaturisation« des approches moléculaires.
Résumé de la soumission : Les cellules souches pluripotentes ont la capacité unique de pouvoir donner naissance à la majorité des cellules différenciées d’un organisme. La compréhension des mécanismes à la base de ce « programme du développement » sont d’une importance capitale tant d’un point de vue fondamentale que pour des applications thérapeutiques visant à utiliser les cellules souches en médecine régénératrice. A l’évidence, ce programme s’appuie sur un réseau complexe de facteurs de transcription et/ou de répresseurs. Il est de plus  établi que ce processus requiert également un ensemble de modifications épigénétiques. L’une des questions clés de la biologie du développement actuelle est d’établir comment les modifications épigénétiques participent à l’établissement d’une identité cellulaire au cours du développement. Des études récentes ont révélées une structure chromatinienne particulière, nommée domaine bivalent, pressentie pour jouer un rôle clé dans le contrôle du destin cellulaire. Le terme bivalent résulte du fait que dans ces domaines coexistent des modifications d’histones qui ont des effets opposés sur la transcription; à savoir la marque permissive H3K4me3 et la marque répressive H3K27me3. Il est proposé que cette structure permette de maintenir des gènes clés du développement dans un état permissif pour l’expression mais toutefois réprimé de part la présence d'H3K27me3. Ces domaines étant « résolus» lors de la différenciation soit vers un état permissif total (perte de H3K27me3), soit vers un état répressif stable (perte de H3K4me3). Ces structures particulières sont donc à la base, de part la plasticité qu’elles offrent, d’un nouveau mode de régulation épigénétique particulièrement apte à jouer un rôle décisionnel dans le développement et la différenciation.De fait, une meilleure compréhension du programme du développement s’appuie sur  l’identification des mécanismes impliqués dans le contrôle des domaines bivalents lors de l’établissement d’une identité cellulaire. C’est précisément ce que nous proposons de réaliser dans le cadre de cet ANR Jeune chercheur en utilisant l’empreinte parentale, comme modèle La validité de ce modèle s’appuie sur nos travaux démontrant le rôle des domaines bivalents dans le contrôle de l’empreinte spécifique de tissus. Nos objectifs sont (1) identifier une signature prédictive du choix de résolution des domaines bivalents (i.e.: vers une structure permissive ou répressive) lors du développement. (2) Etablir la dynamique de ces domaines lors de la phase de reprogrammation épigénétique liée à l’acquisition de la totipotence dans les lignées germinales (3) Rechercher si une dérégulation des domaines bivalents contribue à la tumorigénese chez l’homme et en identifier les causes. (4) Valider ces approches descriptives  par des approches fonctionnelles visant à établir la régulation et le rôle dans ce processus de la déméthylase d’H3K27me3. En particuliers, l’objectif principal de ces approches sera d’établir comment ces domaines recrutent et/ou activent la déméthylase d’H3K27me3.La réalisation de ce projet apportera un éclairage inédit sur les mécanismes impliqués dans la régulation de l’expression des gènes au cours du développement et, de fait, sur le contrôle épigénétique du destin cellulaire. En particuliers, l'analyse de la déméthylase d'H3K27me3 permettra d'apporter une vision originale sur ce processus. Cet enzyme est en effet un acteur épigénétique nouvellement identifiée, dont l’impact sur le développement reste mal caractérisé.D’un point de vue thérapeutique ce projet facilitera  l'identification des mécanismes impliqués dans une régulation aberrante de l’expression génique, permettant d’offrir de nouvelles approches diagnostiques tout comme de nouvelles cibles thérapeutiques. De plus, en favorisant la compréhension du programme épigénétique du développement ce projet permettra de mieux appréhender l’utilisation thérapeutique de cellule souche pluri- et multi- potentes.
Résultats : Nos travaux révèlent que la bivalence est impliquée dans la régulation fine de l’empreinte parentale, en particulier dans les lignées neurales. Cette observation fournit une trame pour déterminer l’influence des gènes d’empreinte sur le développement neural et, d’un point de vue clinique, souligne que la dérégulation de la bivalence est dorénavant à considérer dans la recherche de l’étiologie des maladies de l’empreinte. Nous mettons de plus en évidence les structures bivalentes sont des cibles privilégiées d’altérations dans les gliomes malins avec pour conséquence principale une expression ectopique du gène associé. Cette observation inédite est importante dans le cadre du développement et de l'utilisation de drogue visant à corriger les défauts épigénétiques liés au cancer.
Perspectives : La réalisation de ce projet apportera un éclairage inédit sur les mécanismes impliqués dans la régulation de l’expression des gènes au cours du développement et, de fait, sur le contrôle épigénétique du destin cellulaire. 
D’un point de vue thérapeutique, et  en particulier à travers notre étude qui s’appuie sur l’utilisation de tumeurs du cerveau caractérisées d’un point de vue clinique, ce projet facilitera l'identification des mécanismes impliqués dans une régulation aberrante de l’expression génique, permettant d’offrir de nouvelles approches diagnostiques tout comme de nouvelles cibles thérapeutiques. De plus, en favorisant la compréhension du programme épigénétique du développement ce projet permettra de mieux appréhender l’utilisation thérapeutique de cellule souche pluri- et multi- potentes.
Publications et brevets : La production scientifique associée à ce projet est actuellement de 3 article publiés  dans des  revues internationales à comité de lecture, 1 chapitre d’ouvrage, 1 article de revue nationale, 4 communications internationales et 4 communications nationales.
Les publication sont: 
Bouschet T, Dubois E, Reynès C, Kota SK, Rialle S, Maupetit-Méhouas S, Pezet M, Le Digarcher A, Nidelet S, Demolombe V, Cavelier P, Meusnier C, Maurizy C, Sabatier R, Feil R, Arnaud P, Journot L, Varrault A. (2016) 
“In Vitro Corticogenesis from Embryonic Stem Cells Recapitulates the In Vivo Epigenetic Control of Imprinted Gene Expression.”
? Cereb Cortex. 2016 Apr 19. pii: bhw102.
Fogli A, Chautard E, Vaurs-Barrière C, Pereira B, Müller-Barthélémy M, Court F, Biau J, Pinto AA, Kémény JL, Khalil T, Karayan-Tapon L, Verrelle P, Costa BM,  Arnaud P. (2016)
“The tumoral A genotype of the MGMT rs34180180 single-nucleotide polymorphism in aggressive gliomas is associated with shorter patients' survival.”
?Carcinogenesis. 37(2):169-76.
Maupetit-Méhouas S, Montibus B, Nury D, Tayama C, Wassef M, Kota SK, Fogli A,  Cerqueira Campos F, Hata K, Feil R, Margueron R, Nakabayashi K, Court F, Arnaud P. (2016)
“Imprinting control regions (ICRs) are marked by mono-allelic bivalent chromatin when transcriptionally inactive.” 
?Nucleic Acids Res. 44:621-35. 
Maupetit-Mehouas S,  Nury D,  Arnaud P  (2014)
“Epigenetic reprogramming in the mammalian germline”
 In: A.K. Naumova and C.M.T. Greenwood (eds.), Epigenetics and Complex Traits, in press, Springer Science+Business Media New York 2014
Bertille Montibus B., Maupetit-Méhouas S., Arnaud P. (2013)
« L’empreinte Parentale dans les gamètes et sa dérégulation dans les pathologies humaines. »
Médecine Clinique, Endocrinologie et Diabète (MCED), numéro  spécial « Epigénétique », n°66, Sept-Oct 2013.