Rôle épigénétique du variant d'histone H3.3 dans l'établissement des rythmes circadiens des mammifères

Résumé de la thèse

Chez les mammifères, les oscillations circadiennes robustes coordonnent des programmes d’expression de gènes de manière tissu-spécifique. La liaison rythmique des facteurs de transcription de l’horloge circadienne BMAL1-CLOCK à la chromatine entraîne une dynamique journalière dans les états chromatiniens. En conséquence, ~10-15% du transcriptome cycle. Afin de permettre la liaison rythmique de BMAL1-CLOCK à un temps et endroit spécifique du génome, la chromatine doit être accessible et ses changements dynamiques encodés épigénétiquement. Au cours des dernières décennies, il a été montré que la machinerie de l’horloge est liée avec la dynamique des paysages chromatiniens. Le dépôt de marques épigénétiques, comme acétylation ou méthylation des histones, le remodelage de nucléosomes et l’expression circadienne des gènes sont étroitement coordonnés. Les facteurs de l’horloge sont directement impliqués dans le recrutement des enzymes modificatrices de la chromatine, ainsi que la déposition des signatures épigénétiques- notamment des variants d’histones, comme le variant H2A.Z. L’incorporation et/ou éviction dynamique de H2A.Z au sein des nucléosomes près de sites de début de transcription est concomitante avec l’incorporation de variant H3.3. Dans les cellules au cours de division, les variants H3.3/H2A.Z sont incorporés au sein des mêmes nucléosomes au niveaux des promoteurs, générant des nucléosomes double-variants qui sont très instables et mobiles. Néanmoins, tandis que le rôle de H2A.Z dans les rythmes circadiens et la dynamique de la chromatine est bien établi à travers les espèces, le rôle de H3.3 dans la fonction de l’horloge circadienne reste inconnu.

Ainsi, on a eu pour but d’étudier le lien entre le variant d’histone H3.3 et la machinerie moléculaire de l’horloge circadienne chez les mammifères. Autrement dit, comment les nucléosomes contenant H3.3 pourraient moduler l’architecture de la chromatine et contribuer à la dynamique transcriptionnelle au cours de 24h, en lien étroit avec les régulateurs clefs de l’horloge dans les tissus murins, comme le foie. La purification des complexes protéiques spécifiques de H3.3 dans le foie au cours de 24h nous a permis d’identifier que les remodeleurs chromatiniens PBAF/cBAF s’assemblent dynamiquement avec le facteur de transcription BMAL1 sur la chromatine marquée par H3.3. Par ailleurs, on a montré que l’incorporation de H3.3 au sein de la chromatine est rythmique au cours du temps et que PBAF/cBAF-BMAL1 s’assemble dynamiquement avec des nucléosomes H3.3 décorés par des marques épigénétiques comme H3K115ac et H3K122ac, rendant ces nucléosomes instables et mobiles (fragiles). De plus, la perturbation de l’horloge circadienne (modèle de souris Per knock-out) conduit à une augmentation de H3.3 sur la chromatine, ainsi qu’à un maintien des paysages épigénétiques marqués par des nucléosomes H3.3 fragiles. La perte presque totale de ARID2 et de la sous unité ATPasique BRG1, mène respectivement au désassemblage de PBAF, ainsi qu’à une réorganisation des remodeleurs cBAF/BRG1, suivie par la favorisation des complexes cBAF/BRM. De plus, l’absence de feedback circadien résulte en une augmentation de fixation de BMAL1 sur la chromatine, due à l’augmentation de l’accessibilité des sites de liaison de BMAL1-CLOCK. Tous ces événements mènent à un état chromatinien actif en permanence lors de la perturbation circadienne, impliquant le variant H3.3.

Enfin, les dérèglements de l’horloge circadienne sont impliqués dans plusieurs maladies comme le syndrome métabolique, les maladies neurodégénératives et les cancers ayant une forte composante épigénétique dont les mutations au sein de H3.3 et remodeleurs chromatiniens. Une meilleure compréhension du lien physiologique entre la dynamique de la chromatine et la transcription circadienne permettrait de mieux comprendre la mise en place et la progression de ces maladies, ainsi que d’apporter une aide pour le développement des approches thérapeutiques nouvelles.

Epigenetic role of H3.3 histone variant in establishment of mammalian circadian rhythms

In mammals, robust circadian clocks coordinate gene-expression programs in a tissue-specific manner. Rhythmic binding of the core-clock transcription factors (TF) BMAL1-CLOCK on chromatin results in a ‘day to night’ dynamics in chromatin states and in turn, ~10-15% of transcriptome in every tissue is cycling. In order to allow BMAL1-CLOCK rhythmic binding at ‘specific time and place’ on the genome, chromatin has to be accessible and such dynamic changes in chromatin states epigenetically encoded. Therefore, how chromatin architecture gets reorganized upon BMAL1-CLOCK binding, remains an active field of research.

Over the past decades, it has been shown that circadian clock machinery is tightly linked with dynamics in chromatin landscapes. Deposition of epigenetic marks, such as acetylation or methylation of histone proteins, nucleosome remodeling and circadian gene expression are closely coordinated. Core-clock factors are directly involved in the recruitment of chromatin-modifying enzymes and deposition of epigenetic signatures, including histone variants, such as H2A variant, H2A.Z. Dynamic incorporation and/or eviction of H2A.Z within nucleosomes near transcription start sites (TSS) is highly concomitant with incorporation of the H3 histone variant, H3.3. In dividing cells, it has been shown that H3.3/H2A.Z histone variants are incorporated within the same nucleosomes at promoters and TSS, generating extremely labile, easily removable dual-variant nucleosomes. Nevertheless, while H2A.Z role in 24hr rhythms and chromatin dynamics is well established across species, the role of H3.3 in clock function remains unknown.

Therefore, we aimed to study the link between the histone variant H3.3 and the molecular machinery of mammalian circadian clocks. In other words, how could H3.3 nucleosomes shape the chromatin architecture to contribute to 24hr transcriptional dynamics in close connection with circadian core-clock regulators in murine tissues, such as liver. Purification of specific H3.3 liver protein complexes over circadian time allowed us to identify dynamic assembly of PBAF/cBAF chromatin remodelers with the core-clock TF BMAL1 on H3.3 variant chromatin. We found that H3.3 deposition is cycling over time, and PBAF/cBAF-BMAL1 assemble on dynamic H3.3 nucleosomes marked with specific epigenetic marks such as H3K115ac and H3K122ac, resulting in their fragility. Furthermore, circadian clock disruption (Per knock-out mouse models) results in a higher loading of H3.3 on chromatin and maintenance of fragile H3.3 ‘day-time-like’ epigenetic landscapes. Moreover, near-total depletion of ARID2 and BRG1 shared ATPase subunits respectively lead to disassembly of PBAF and reorganization of cBAF chromatin remodelers, followed by a ‘switch’ to cBAF/BRM complexes. In addition, the absence of circadian feedback results in increased BMAL1 binding on chromatin due to the higher accessibility of BMAL1-CLOCK binding sites. All of these events highlight a permanently active ‘day-time like’ chromatin state upon circadian disruption, implicating H3.3.

Last, but not least, circadian disruption is implicated in several disorders such as metabolic syndrome and sleep loss, neurodegenerative diseases and cancer, all of which have a strong epigenetic component, including mutations in H3.3 and chromatin remodelers. Better understanding of the physiological link between chromatin dynamics and circadian transcription would allow better understanding of disease development and its progression, as well as an aid in the development of novel therapeutic approaches.