Pléiotropie, spécificité et dissection de la séquence de l'enhancer E3 de twist au cours de l'embryogenèse de la drosophile

Résumé de la thèse

Les profils précis d'expression génétique au cours de l'embryogenèse chez la drosophile résultent de l'action d'éléments d'ADN non codants appelés enhancers. Ces éléments activent la transcription en interagissant avec les promoteurs de leurs gènes cibles, même lorsqu'ils sont séparés par de grandes distances génomiques, grâce à des boucles de chromatine en 3D. Traditionnellement, les enhancers sont considérés comme des éléments modulaires et spécifiques à certains tissus, chacun agissant dans un contexte spatio-temporel bien défini. Cependant, des preuves de plus en plus nombreuses mettent en évidence la prévalence des enhancers pléiotropiques, des séquences qui activent un gène dans plusieurs contextes, ce qui soulève des questions sur le fonctionnement de ces éléments. Les enhancers pléiotropiques contiennent généralement une grande quantité d'informations régulatrices et confèrent une activité étendue, qui se reflète souvent dans le grand nombre de sites de liaison de facteurs de transcription (TFBS) intégrés dans leurs séquences. Compte tenu de ce large potentiel régulateur, il devient concevable d'émettre l'hypothèse qu'ils pourraient réguler plusieurs gènes. Bien que cette idée ait déjà été suggérée, elle reste totalement inexplorée. De plus, la manière dont une telle capacité régulatrice est codée dans l'architecture de leur séquence reste également obscure. Au cours de sa thèse, Margarita MASOURA a abordé ces questions en étudiant l'enhancer E3, connu auparavant pour réguler twist, le régulateur principal du destin mésodermique, au cours des phases précoce et intermédiaire de l'embryogenèse chez Drosophila melanogaster. Margarita MASOURA montre tout d'abord que l'E3 est pléiotropique, actif dans différents feuillets embryonnaires et stades développementaux, y compris dans des tissus où le gène twist n'est pas exprimé.

Margarita MASOURA démontre ensuite que E3 régule au moins trois autres gènes sans lien fonctionnel entre eux. Malgré la large activité de E3, chaque gène cible conserve un profil d'expression spécifique et non chevauchant. Cette spécificité provient d'éléments proches du promoteur, qui interprètent la large contribution régulatrice de l'E3 et la transforment en résultats transcriptionnels précis.

En ce qui concerne l'organisation séquentielle de E3, Margarita MASOURA démontre que la nature pléiotropique de l'activateur est codée dans trois domaines, chacun stimulant l'expression dans un contexte spatio-temporel distinct. Malgré cette modularité, les sites régulateurs qui ajustent les niveaux d'expression dans un contexte peuvent se trouver dans des domaines qui spécifient un autre contexte. Une mutagenèse ciblée et saturante sur la séquence E3 confirme cet entrelacement des sites régulateurs, montrant qu'au moins pour l'activité mésodermique de E3, la production transcriptionnelle résulte de l'action combinatoire de régions réparties sur l'ensemble de l'enhancer.

Dans l'ensemble, sa thèse montre comment un enhancer pléiotropique peut avoir une activité régulatrice étendus tout en maintenant la spécificité de l'expression génique individuelle grâce à des éléments proches du promoteur. Elle démontre également que l'activité de l'enhancer repose sur plusieurs régions régulatrices réparties dans le génome, qui agissent de concert pour produire des patrons transcriptionnels précis.

Pleiotropy, Specificity, and Sequence Dissection of the E3 enhancer of twist during Drosophila embryogenesis

Precise gene expression patterns during Drosophila embryogenesis arise through the action of non-coding DNA elements called enhancers. These elements activate transcription by interacting with gene promoters of their targets -even when separated by large genomic distances- through 3D chromatin looping. Traditionally, enhancers are viewed as modular and tissue-specific elements, each acting in a single well-defined spatiotemporal context. However, accumulating evidence pinpoints the prevalence of pleiotropic enhancers -sequences that activate one gene in multiple contexts- raising questions on how such elements can function. Pleiotropic enhancers usually contain a high amount of regulatory information and confer broad activity, which is often reflected in the large number of Transcription Factor Binding Sites (TFBSs) embedded in their sequences. Given that wide regulatory potential, it becomes conceivable to hypothesize that they might regulate multiple genes. While this idea has been previously suggested, it remains completely unexplored. Moreover, how such broad regulatory capacity is encoded in their sequence architecture also remains unclear.

In her thesis, Margarita MASOURA addresses these questions by studying the E3 enhancer, previously known to regulate twist -the master regulator of mesodermal fate- during early and mid-embryogenesis of Drosophila melanogaster. Margarita MASOURA first shows that E3 is pleiotropic, driving expression across germ layers and developmental stages, including tissues where twist is not expressed. She then demonstrates that E3 regulates at least three additional, functionally unrelated genes. Despite E3’s broad activity, each target gene maintains a specific, non-overlapping expression pattern. This specificity arises from promoter-proximal elements, which interpret E3’s broad regulatory input and refine it into precise transcriptional outputs.

Regarding the sequence organisation of E3, Margarita MASOURA demonstrates that the pleiotropic nature of the enhancer is encoded in three core domains, each driving expression in a discrete spatiotemporal context. Despite this modularity, regulatory sites that fine-tune expression levels in one context can lie within domains that specify another context. Targeted and saturating mutagenesis on E3 sequence confirms this intermingling of regulatory sites, showing that, at least for E3’s mesodermal activity, transcriptional output arises from the combinatorial action of regions distributed across the entire enhancer.

Altogether, Margarita MASOURA's thesis shows how a pleiotropic enhancer can generate broad regulatory outputs while individual gene expression specificity is maintained by promoter-proximal elements. It also demonstrates that enhancer activity relies on multiple regulatory regions spread across the genome, that act in concert to produce precise transcriptional patterns.