A transcriptomic analysis of human centromeric and pericentric sequences in normal and tumor cells

Although there is now evidence that the expression of centromeric (CT) and pericentric (PCT) sequences are key players in major genomic functions, their transcriptional status in human cells is still poorly known. The main reason for this lack of data is the complexity and high level of polymorphism of these repeated sequences, which hampers straightforward analyses by available transcriptomic approaches. Here a transcriptomic macro-array dedicated to the analysis of CT and PCT expression is developed and validated in heat-shocked (HS) HeLa cells. For the first time, the expression status of CT and PCT sequences is analyzed in a series of normal and cancer human cells and tissues demonstrating that they are repressed in all normal tissues except in the testis, where PCT transcripts are found. Moreover, PCT sequences are specifically expressed in HS cells in a Heat-Shock Factor 1 (HSF1)-dependent fashion, and we show here that another independent pathway, involving DNA hypo-methylation, can also trigger their expression. Interestingly, CT and PCT were found illegitimately expressed in somatic cancer samples, whereas PCT were repressed in testis cancer, suggesting that the expression of CT and PCT sequences may represent a good indicator of epigenetic deregulations occurring in response to environmental changes or in cell transformation

Etude de la transcription des séquences satellites du génome humain

The gene is defined as a functional unit of heredity. Indeed, genes, transcribed into RNA, encode proteins that provide the bulk of cellular functions. However, genes account for only 2% of the human genome. Thus, our genome is composed almost exclusively of non-coding DNA (ncDNA) which, due to an apparent lack of function (ie of transcription and translation), is also known as "junk DNA". Surprisingly, the amount of ncDNA present in the cell is proportional to the complexity of organisms, suggesting that ncDNA could have a function. Particularly, centromere and pericentromere, which contain satellite DNA (a part of ncDNA), allow proper segregation of sister chromatid during mitosis. More studies realized in the yeast S.pombe show that pericentromeric regionscould be transcribed. The ncRNA participate inthe establishment and maintenance of pericentromeric heterochromatin . Although mechanisms involved in these processes are largely identified, very littleis known about the transcription ability of these satellites sequences in others species.Thus, the objective of my thesis was to evaluate the ability of satellite sequence of the human genome to be transcribed.When I arrived in the laboratory, the team of Pr. Claire Vourc'h was particularly committed to this project since they have just shown that satellites 3 sequences of 9q12 locus could be transcribed during the stress response. My first work was to identify new satellite sequences whose transcription is induced by heat stress.Furthermore, I have developed the first transcriptomic approach dedicated to the expression of satellite sequence of the human genome: the RepChip. The model of the stress response allowed me to validate this tool. So I could identify not only new cellular contexts allowing the expression of these sequences but also two independent mechanisms involved in their transcription. In particular, a link between the ability of transcription of these sequences and changes in the epigenome could be established. Finally, I identified an inhibition model of the transcription of satellites sequences during heat shock, the ICF syndrome (Immunodeficiency, centromeric instability and facial anomalies).Le gène est défini comme une unité fonctionnelle de l'hérédité. En effet, les gènes, transcrits en ARN, codent pour des protéines qui assurent l'essentiel des fonctions cellulaires. Cependant, les gènes ne représentent que 2% du génome humain. Ainsi, notre génome est presque exclusivement composé d'ADN non codant (ADNnc) qui, en raison d'une absence apparente de fonction (c'est-à-dire de transcription et de traduction), est également connu sous le terme peu élogieux d' « ADN poubelle ». De manière surprenante, la quantité d'ADNnc présente dans les cellules est proportionnelle au degré de complexité des organismes, suggérant ainsi que cet ADNnc pourrait avoir une fonction. En particulier, les centromères et des péricentromères, qui contiennent des séquences d'ADNnc de type satellite, permettent la ségrégation correcte de chromatides sœurs lors de la mitose. De plus des études récentes réalisées chez la levure S.pombe montrent que les régions péricentromériques peuvent être transcrites. Les ARNnc ainsi produits participent à l'établissement et au maintien de l'hétérochromatine péricentromérique. Bien que les mécanismes impliqués dans ces processus soient en grande partie identifiés, très peu de choses sont connues quant à la capacité transcriptionnelle de ces séquences satellites chez d'autres espèces.Ainsi, l'objectif de ma thèse a été d'évaluer le potentiel transcriptionnel des séquences satellites du génome humain.A mon arrivée dans le laboratoire, l'équipe du Pr Claire Vourc'h était particulièrement engagée dans ce projet puisqu'elle venait de mettre en évidence la transcription des séquences satellites 3 du locus 9q12 au cours de la réponse au stress. Mon travail de thèse m'a conduit à approfondir cette étude en identifiant de nouvelles séquences satellites dont la transcription est induite par le stress thermique. Par ailleurs, j'ai développé la première approche trancriptomique dédiée à l'expression des séquences satellites du génome humain : la RepChip. Le modèle de la réponse au stress m'a permis de valider cet outil. Ainsi, j'ai pu identifier non seulement de nouveaux contextes cellulaires permettant l'expression de ces séquences mais également deux mécanismes indépendants impliqués dans leur transcription. En particulier, un lien entre la capacité transcriptionnelle de ces séquences et des modifications de l'épigénome a pu être établi. Finalement, j'ai identifié un modèle d'inhibition de la transcription des séquences satellites au cours du choc thermique, le syndrome ICF (Immunodeficiency, Centromeric instability and Facial anomalies)

Etude de la transcription des séquences satellites du génome humain

Le gène est défini comme une unité fonctionnelle de l'hérédité. En effet, les gènes, transcrits en ARN, codent pour des protéines qui assurent l'essentiel des fonctions cellulaires. Cependant, les gènes ne représentent que 2% du génome humain. Ainsi, notre génome est presque exclusivement composé d'ADN non codant (ADNnc) qui, en raison d'une absence apparente de fonction (c'est-à-dire de transcription et de traduction), est également connu sous le terme peu élogieux d' ADN poubelle . De manière surprenante, la quantité d'ADNnc présente dans les cellules est proportionnelle au degré de complexité des organismes, suggérant ainsi que cet ADNnc pourrait avoir une fonction. En particulier, les centromères et des péricentromères, qui contiennent des séquences d'ADNnc de type satellite, permettent la ségrégation correcte de chromatides sœurs lors de la mitose. De plus des études récentes réalisées chez la levure S.pombe montrent que les régions péricentromériques peuvent être transcrites. Les ARNnc ainsi produits participent à l'établissement et au maintien de l'hétérochromatine péricentromérique. Bien que les mécanismes impliqués dans ces processus soient en grande partie identifiés, très peu de choses sont connues quant à la capacité transcriptionnelle de ces séquences satellites chez d'autres espèces.Ainsi, l'objectif de ma thèse a été d'évaluer le potentiel transcriptionnel des séquences satellites du génome humain. A mon arrivée dans le laboratoire, l'équipe du Pr Claire Vourc'h était particulièrement engagée dans ce projet puisqu'elle venait de mettre en évidence la transcription des séquences satellites 3 du locus 9q12 au cours de la réponse au stress. Mon travail de thèse m'a conduit à approfondir cette étude en identifiant de nouvelles séquences satellites dont la transcription est induite par le stress thermique. Par ailleurs, j'ai développé la première approche trancriptomique dédiée à l'expression des séquences satellites du génome humain : la RepChip. Le modèle de la réponse au stress m'a permis de valider cet outil. Ainsi, j'ai pu identifier non seulement de nouveaux contextes cellulaires permettant l'expression de ces séquences mais également deux mécanismes indépendants impliqués dans leur transcription. En particulier, un lien entre la capacité transcriptionnelle de ces séquences et des modifications de l'épigénome a pu être établi. Finalement, j'ai identifié un modèle d'inhibition de la transcription des séquences satellites au cours du choc thermique, le syndrome ICF (Immunodeficiency, Centromeric instability and Facial anomalies).GRENOBLE1-BU Sciences (384212103) / SudocSudocFranceF

Heat shock factor 1 binds to and transcribes satellite II and III sequences at several pericentromeric regions in heat-shocked cells.

International audienceCells respond to stress by activating the synthesis of heat shock proteins (HSPs) which protect the cells against the deleterious effects of stress. This mechanism is controlled by the heat shock factor 1 (HSF1). In parallel to HSP gene transcription, in human cells, HSF1 also binds to and transcribes satellite III repeated sequences present in numerous copies in the 9q12 pericentromeric region of chromosome 9. These HSF1 accumulation sites are termed nuclear stress bodies (nSBs). In tumor cells, however, the number of nSBs is higher than the number of 9q12 copies, suggesting the existence of other HSF1 targets. In this paper, we were interested in characterizing these other HSF1 binding sites. We show that HSF1 indeed binds to the pericentromeric region of 14 chromosomes, thereby directing the formation of 'secondary nSBs'. The appearance of secondary nSBs depends on the number of satellite sequences present in the target locus, and on the cellular amount of HSF1 protein. Moreover, secondary nSBs also correspond to transcription sites, thus demonstrating that heat shock induces a genome-wide transcription of satellite sequences. Finally, by analyzing published transcriptomic data, we show that the derepression of these large heterochromatic blocks does not significantly affect the transcription of neighboring genes

Distribution, evolution, and diversity of retrotransposons at the flamenco locus reflect the regulatory properties of piRNA clusters

article publié d'abord "online" PNAS early edition page 1à 6.Most of our understanding of Drosophila heterochromatin structure and evolution has come from the annotation of heterochromatin from the isogenic y; cn bw sp strain. However, almost nothing is known about the heterochromatin's structural dynamics and evolution. Here, we focus on a 180-kb heterochromatic locus producing Piwi-interacting RNAs (piRNA cluster), the flamenco (flam) locus, known to be responsible for the control of at least three transposable elements (TEs). We report its detailed structure in three different Drosophila lines chosen according to their capacity to repress or not to repress the expression of two retrotransposons named ZAM and Idefix, and we show that they display high structural diversity. Numerous rearrangements due to homologous and nonhomologous recombination, deletions and segmental duplications, and loss and gain of TEs are diverse sources of active genomic variation at this locus. Notably, we evidence a correlation between the presence of ZAM and Idefix in this piRNA cluster and their silencing. They are absent from flam in the strain where they are derepressed. We show that, unexpectedly, more than half of the flam locus results from recent TE insertions and that most of the elements concerned are prone to horizontal transfer between species of the melanogaster subgroup. We build a model showing how such high and constant dynamics of a piRNA master locus open the way to continual emergence of new patterns of piRNA biogenesis leading to changes in the level of transposition control

Global analysis of DNA methylation and transcription of human repetitive sequences.

International audienceHalf of the human genome consists of repetitive DNA sequences. Recent studies in various organisms highlight the role of chromatin regulation of repetitive DNA in gene regulation as well as in maintainance of chromosomes and genome integrity. Hence, repetitive DNA sequences might be potential "sensors" for chromatin changes associated with pathogenesis. Therefore, we developed a new genomic tool called RepArray. RepArray is a repeat-specific microarray composed of a representative set of human repeated sequences including transposon-derived repeats, simple sequences repeats, tandemly repeated sequences such as centromeres and telomeres. We showed that combined to anti-methylcytosine immunoprecipitation assay, the RepArray can be used to generate repeat-specific methylation maps. Using cell lines impaired chemically or genetically for DNA methyltransferases activities, we were able to distinguish different epigenomes demonstrating that repeats can be used as markers of genome-wide methylation changes. Besides, using a well-documented system model, the thermal stress, we demonstrated that RepArray is also a fast and reliable tool to obtain an overview of overall transcriptional activity on whole repetitive compartment in a given cell type. Thus, the RepArray represents the first valuable tool for systematic and genome-wide analyses of the methylation and transcriptional status of the repetitive counterpart of the human genome